Se fabrica la primera interfaz gas-líquido a nanoescala controlable

22.10.2021 - Japón

Cuando el líquido se encuentra con el gas, se forma una zona única. Variables por naturaleza, las moléculas pueden pasar de un estado a otro, combinándose de forma única con fines deseables o indeseados. Desde el calor que escapa de una taza de café hasta el aumento de las concentraciones moleculares en soluciones químicas, las interfaces gas-líquido son omnipresentes en la naturaleza y la ingeniería. Pero la falta de herramientas capaces de controlar con precisión estas interfaces gas-líquido limitaba sus aplicaciones, hasta ahora.

Investigadores de la Universidad de la Prefectura de Osaka han desarrollado la primera interfaz gas-líquido controlable a nanoescala. Publicaron su diseño y resultados experimentales el 14 de octubre en Nano Letters.

"Las interfaces gas-líquido desempeñan un papel importante en numerosos procesos químicos y biológicos, tanto si se diseñan como si se dan en la naturaleza", afirma el autor del artículo, Yan Xu, profesor asociado de ingeniería química en la Escuela de Postgrado de Ingeniería de la Universidad de la Prefectura de Osaka. "Se han generado interfaces gas-líquido a nanoescala en nanotubos de carbono y membranas porosas, por ejemplo, pero fabricar versiones controlables a nanoescala sigue siendo un reto porque los canales nanofluídicos son demasiado pequeños para hacer uso de los enfoques convencionales de control de superficies".

Los dispositivos fluídicos ayudan a los investigadores a capturar moléculas objetivo y a examinar propiedades específicas, así como a forzar interacciones a través de canales a nanoescala diseñados con una geometría controlada con precisión, dijo Xu.

En los dispositivos microfluídicos, que contienen canales unas mil veces mayores que los de los dispositivos nanofluídicos, la superficie de los canales puede modificarse para atraer o rechazar moléculas específicas.

"Esta modificación de la superficie se utiliza habitualmente en los canales microfluídicos, pero su aplicabilidad en los canales nanofluídicos casi no se ha explorado", dijo Xu.

Mientras que los dispositivos microfluídicos pueden fabricarse con diversos materiales, los nanofluídicos requieren un sustrato de vidrio. Según Xu, las propiedades del vidrio, como la transparencia óptica, la estabilidad térmica y la robustez mecánica, lo convierten en un material favorable para aplicaciones en una amplia gama de disciplinas y en un material ideal en nanofluidos.

Aunque es hidrófilo por naturaleza, el vidrio puede hacerse hidrófobo, una técnica utilizada en la modificación de la superficie para ayudar a impedir que las moléculas del líquido de muestra se unan a las moléculas del vidrio. Los investigadores también fabricaron nanocanales de vidrio -que tienen aproximadamente la anchura de 1/1.000 de una hoja de papel- con nanopatrones de oro hidrofílicos colocados con precisión para atraer localmente a las moléculas de líquido a la entrada de los nanocanales. Los nanopatrones de oro se fabricaron mediante una técnica denominada integración "Nano-in-Nano", desarrollada por los investigadores, que permite el trazado preciso de nanopatrones funcionales mucho más pequeños en los minúsculos canales nanofluídicos.

El dispositivo nanofluídico resultante es un poco más grande que un sello de correos y no mucho más grueso. Los nanocanales, invisibles al ojo humano, se sitúan en el centro, intercalados entre un sistema de introducción de líquidos con forma de dos herraduras.

Para probar el tratamiento hidrofóbico, los investigadores introdujeron agua en los nanocanales más anchos y unidimensionales (1D). En los canales no tratados, el agua se desliza hacia los nanocanales más estrechos y bidimensionales (2D) con la misma fuerza que permite a las plantas distribuir el agua desde sus raíces hasta sus hojas sin ninguna presión externa.

"En cambio, observamos que el flujo de agua se detenía en la entrada de los canales nanofluídicos 2D hasta una presión externa de 400kPa", dijo Xu. Esa es la fuerza equivalente a la presión media del agua de un grifo doméstico. Más allá de esa presión, los investigadores comprobaron que el agua rompía los canales nanofluídicos.

La prueba validó la naturaleza hidrofóbica de los canales, por lo que los investigadores llenaron los canales con una solución acuosa de etanol a alta presión y luego utilizaron aire para eliminar el líquido del canal izquierdo, creando una interfaz gas-líquido. Bajo presión cero, la interfaz viajó hasta las entradas de los nanocanales 2D y se detuvo uniformemente en los nanopatrones de oro hidrofílicos, manteniéndose durante más de una hora. Bajo cierta presión externa, la interfaz pudo ser transportada a lo largo de los canales nanofluídicos.

Una vez confirmada la estabilidad de la interfaz gas-líquido a nanoescala, los investigadores también probaron con éxito la capacidad de concentrar moléculas de interés en la interfaz a nanoescala. Resumieron su trabajo y los resultados en un breve vídeo, disponible en YouTube.

Los investigadores tienen previsto seguir desarrollando dispositivos de análisis y diagnóstico basados en chips, capaces de separar, concentrar y detectar materia biológica, como virus o biomarcadores, a partir de muestras extremadamente pequeñas.

"Las interfaces gas-líquido a nanoescala fabricadas en canales nanofluídicos con patrones hidrofílicos e hidrofóbicos ofrecen la posibilidad de enriquecer con precisión las moléculas objetivo en un espacio a nanoescala bien definido, lo que tendrá un impacto revolucionario en una variedad de procesos y aplicaciones químicas, físicas y biológicas en el futuro", dijo Xu.

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