Quando o líquido encontra o gás, forma-se uma zona única. Variáveis ​​por natureza, as moléculas podem atravessar de um estado para outro, combinando-se de maneiras únicas para fins desejáveis ​​ou indesejados. Do calor que escapa de uma caneca de café ao aumento das concentrações moleculares em soluções químicas, as interfaces gás-líquido são onipresentes na natureza e na engenharia. Mas a falta de ferramentas capazes de controlar com precisão essas interfaces gás-líquido limita suas aplicações – até agora.
Pesquisadores da Osaka Prefecture University desenvolveram a primeira interface gás-líquido controlável em nanoescala. Eles publicaram seu projeto e resultados experimentais em 14 de outubro em Nano Letters .

"Seja projetado ou ocorra na natureza, as interfaces gás-líquido desempenham um papel importante em vários processos químicos e biológicos", disse o autor do artigo Yan Xu, professor associado de engenharia química na Escola de Engenharia da Universidade da Prefeitura de Osaka. “As interfaces gás-líquido em nanoescala foram geradas aleatoriamente em nanotubos de carbono e membranas porosas, por exemplo, mas fabricar versões em nanoescala controláveis ​​ainda é um desafio porque os canais nanofluídicos são muito pequenos para fazer uso de abordagens convencionais para controle de superfície”.

Dispositivos fluídicos ajudam os pesquisadores a capturar moléculas alvo e examinar propriedades específicas, bem como interações de força através de canais em nanoescala projetados com geometria controlada com precisão, disse Xu.

Em dispositivos microfluídicos, que contêm canais cerca de 1.000 vezes maiores do que aqueles em dispositivos nanofluídicos, a superfície dos canais pode ser alterada para atrair ou rejeitar moléculas específicas.

"Tal modificação de superfície é comumente usada para canais microfluídicos, mas sua aplicabilidade para canais nanofluídicos quase nunca é explorada", disse Xu.

Enquanto os dispositivos microfluídicos podem ser feitos de uma variedade de materiais, os dispositivos nanofluídicos requerem um substrato de vidro. De acordo com Xu, as propriedades do vidro, como transparência óptica, estabilidade térmica e robustez mecânica, o tornam um material favorável para aplicações em uma ampla gama de disciplinas e um material ideal em nanofluídica.

Embora de natureza hidrofílica, o vidro pode se tornar hidrofóbico, uma técnica usada na modificação da superfície para ajudar a impedir que as moléculas do líquido da amostra se liguem às moléculas do vidro. Os pesquisadores também fizeram nanocanais de vidro – que têm aproximadamente a largura de 1/1.000 de uma folha de papel – com nanopadrões hidrofílicos de ouro colocados com precisão para atrair localmente moléculas líquidas na entrada dos nanocanais. Os nanopadrões de ouro foram fabricados usando uma técnica chamada integração "Nano-in-Nano", que foi desenvolvida pelos pesquisadores e permite a padronização precisa de nanopadrões funcionais muito menores nos minúsculos canais nanofluídicos.

O dispositivo nanofluídico fabricado resultante é um pouco maior que um selo postal e não muito mais espesso. Os nanocanais de tamanhos variados, invisíveis ao olho humano, ficam no centro, entre um sistema de introdução de líquido em forma de duas ferraduras.

Para testar o tratamento hidrofóbico, os pesquisadores empurraram a água para os nanocanais unidimensionais (1D) mais amplos. Em canais não tratados, a água será absorvida pelos nanocanais bidimensionais (2D) mais estreitos usando a mesma força que permite que as plantas distribuam água de suas raízes para as folhas sem qualquer pressão externa.

"Em contraste, observamos que o fluxo de água parou na entrada dos canais nanofluídicos 2D até uma pressão externa de 400kPa", disse Xu. Isso é aproximadamente a força equivalente à pressão média da água de uma torneira doméstica. Além dessa pressão, os pesquisadores descobriram que a água romperia os canais nanofluídicos.

O teste validou a natureza hidrofóbica dos canais, então os pesquisadores encheram os canais com solução aquosa de etanol a alta pressão e depois usaram ar para remover o líquido do canal esquerdo, criando uma interface gás-líquido. Sob pressão zero, a interface viajou para as entradas dos nanocanais 2D e parou uniformemente nos nanopadrões hidrofílicos de ouro, mantendo-se por mais de uma hora. Sob alguma pressão externa, a interface pode ser transportada ao longo dos canais nanofluídicos.

Com a estabilidade da interface gás-líquido em nanoescala confirmada, os pesquisadores também testaram com sucesso a capacidade de concentrar moléculas de interesse na interface em nanoescala.

Os pesquisadores planejam desenvolver ainda mais dispositivos analíticos e de diagnóstico baseados em chip capazes de separar, concentrar e detectar matéria biológica, como vírus ou biomarcadores, de amostras extremamente pequenas.

“As interfaces gás-líquido em nanoescala fabricadas em canais nanofluídicos hidrofílicos e hidrofóbicos oferecem a possibilidade de enriquecer com precisão as moléculas-alvo em um espaço de nanoescala bem definido, impactando revolucionariamente uma variedade de processos e aplicações químicas, físicas e biológicas no futuro”, Xu disse. + Explorar mais

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