나노유체회로

나노유체회로는 나노미터급 유체의 제어를 목적으로 하는 나노기술이다.유체 채널 내의 전기적 이중층의 영향으로 나노유체의 거동은 미세유체학적 거동에 비해 현저하게 다른 것으로 관찰된다.일반적인 특성 치수는 1 ~100 nm 범위에 있습니다.구조의 적어도 1차원은 나노스코프 스케일이다.나노스케일 구조에서 유체의 현상은 전기화학 및 유체역학에서 서로 다른 성질을 갖는 것으로 밝혀졌다.

배경

미세조립과 나노기술의 발달로 미세유체학 및 나노유체학 연구가 ^[1]더욱 주목받고 있다.미세유체학 연구는 DNA 분석, 칩 실험, 마이크로 TAS에서 그것의 장점을 발견했다.마이크로 유체 시스템의 장치에는 채널, 밸브, 믹서 및 펌프가 포함됩니다.이러한 미세 유체 장치를 통합하면 유체 내에서 물질을 분류, 운반 및 혼합할 수 있습니다.단, 이들 시스템의 가동 부품 장애는 보통 중대한 문제이며 주요 단점입니다.기계 부품을 사용하지 않고 흐름을 제어하는 메커니즘은 항상 신뢰성과 ^[2]수명을 위해 필요합니다.

1997년 Wei, Bard, Feldberg는 나노 크기의 파이프 ^[3]끝에서 이온 정류가 발생한다는 것을 발견했습니다.그들은 나노 파이프의 벽면에 있는 표면 전하가 오리피스 내에서 중성적이지 않은 전위를 유도하는 것을 관찰했다.그러면 전위가 이온종의 농도를 변경하여 피펫을 통과하는 전류의 비대칭 전류 전압 특성을 생성합니다.

묽은 이온 용액에서 pH값을 조정하거나 외부전위를 도입하여 ^[4]벽면의 표면전하밀도를 변화시킴으로써 전해질 중의 이온수송을 조정할 수 있다.반도체 소자와 마찬가지로 나노유체 분야에서 전자 소자의 전하 캐리어 수송을 제어하는 메커니즘이 확립되었다.나노유체학에서는 나노스케일 채널 또는 기공을 이용하여 이온수송의 능동적인 제어를 실현한다.

마이크로스케일 유체 시스템에 대한 연구는 나노스케일 시스템에서만 볼 수 있는 정류 현상에 초점을 맞추기 시작했다.2006년, 버클리 캘리포니아 대학의 마줌다 교수와 양 교수는 최초의 "나노플루이드" 트랜지스터를 만들었다.트랜지스터는 외부 전기 신호에 의해 켜지거나 꺼질 수 있으므로 나노 스케일 채널의 이온 유체를 제어할 수 있습니다.이들의 작업은 논리 기능을 가진 나노유체 회로를 만들 수 있는 가능성을 내포하고 있다.

나노유체 소자 분야의 주요 연구자는 캘리포니아 버클리 대학의 아룬 마줌다와 페이동 양, 해롤드 크레이그헤드와 브라이언 커비아트 코넬 대학, 스탠포드 대학의 후안 산티아고, 캘리포니아의 트웬테 대학의 앨버트 반 덴 버그, 캘리포니아의 주잔나 시위 대학 등이다.일리노이 주의 도시 - Urbana-Champaign.

기본 원칙

매크로 또는 마이크로스케일 반지름을 가진 채널의 전해액에서는 벽면의 표면전하가 정전력에 의한 반작용을 끌어당겨 코이온을 밀어낸다.따라서 채널 벽과 용액 사이에는 전기 이중층이 존재한다.전기 이중층의 치수는 일반적으로 채널 반지름보다 훨씬 작은 Debye 길이에 의해 결정됩니다.채널 내 용액의 대부분은 전기 이중층의 차폐 효과로 인해 전기적으로 중립적입니다.

그러나 나노채널에서는 채널 반지름 치수가 데바이의 길이보다 작을 경우 용액이 충전된다.따라서 벽면에 표면전하를 도입하거나 외부전위를 가함으로써 나노채널 내부의 이온 흐름을 조작할 수 있다.

용액의 이온 농도는 이온 수송에 중요한 영향을 미칩니다.농도가 높을수록 채널 벽의 전기 이중 층에 대한 Debye 길이가 짧아지기 때문입니다.이온 농도가 높아짐에 따라 정류 효과가 감소합니다.한편 희석용액을 사용함으로써 이온정류를 향상시킬 수 있다.

이온 수송

채널 내 이온의 수송을 분석하기 위해서는 유체역학뿐만 아니라 전기화학에서의 시스템 거동을 고려해야 한다.Poisson-Nernst-Planck(PNP) 방정식은 채널을 통과하는 이온 전류와 Navier를 설명하는 데 사용됩니다.–스토크(NS) 방정식은 채널의 유체 역학을 나타내는 데 사용됩니다.

PNP 방정식은 포아송 ^[5]^[6]방정식으로 구성됩니다.

$\displaystyle \sla ^{2}\phi =-{\frac {1}{\varepsilon _{0}\varepsilon }}\displaystyle \sum _{a}z_{a}en_{a}}$

및 농도 경사 및 전위 경사 때문에 이온종의 $입자$ 플럭스 $(\displaystyle$ a $)$ 를 $a$ 제공하는 Nernst-Planck 방정식:

${\boldsymbol {J}_{a}=-D_{a}(\nabla n_{a}+{\frac {z_{a}en_{a}}}{k}T}}\nabla\phi$

여기서 $\phi$ (\ $displaystyle \phi)$ 는 $\phi$ 정전위,e(\ $displaystyle$ e $)$ 는 $e$ 전자의 단위 전하, $\varepsilon _{0}$ 0(\ $displaystyle$ $\varepsilon_{0$ })은 진공에서의 유전율, $\varepsilon$ $(\$ $\vare$ $D_a$ 는 $\varepsilon$ 용액의 $D_{a}$ 입니다 $.$ $splaystyle n_{a}$ $z_{a}$ $z_{a}$ a $({$ })는 $z_{a}$ 이온의 확산도, 밀도 및 $a$ 의 원자가 a $({displaystyle$ a $a$ 입니다.

정상 상태의 해는 연속성 방정식을 만족합니다.Navier를 사용하여 채널의 유체 속도 필드를 설명하는 방법–Stokes 방정식:

$\displaystyle \cdot (n_{a}{\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {J}_{a}})=0}$

$\displaystyle \cdot \boldsymbol {u}=0}$

$({displaystyle {boldsymbol {u}}\cdot \cdot {boldsymbol {u}}=black {1}{\rho}}[-\cdisplaystyle _{a}z_{a}en_{a}}\la phi})$

${\boldsymbol {u}}$ 서 p $\displaystyle$ p $p$ ${\boldsymbol {u}}$ u $\displaystyle\$ $mu$ ${\boldsymbol {u}}$ $\mu$ \ $displaystyle\rho는$ 의 압력, 속도 벡터, 점도 및 밀도입니다.위의 방정식은 일반적으로 유체의 속도, 압력, 전위 및 이온 농도뿐만 아니라 채널을 통과하는 전류를 결정하기 위한 수치 알고리즘으로 해결됩니다.

이온 선택성

이온 선택성은 이온 흐름 ^[7]제어를 위한 나노 채널의 성능을 평가하기 위해 정의됩니다.이온 선택성은 양이온과 음이온에 의해 전달되는 총 전류에 대한 다수 캐리어와 소수 캐리어 간 전류의 차이 $(I\displaystyle$ I $I$ 로, 양이온과 음이온을 완벽하게 제어하는 나노채널의 경우 선택성은 통일성이다.이온 흐름 제어가 없는 나노채널의 경우 선택성은 0입니다.

$S=syslogfrac {I^{+}-I^{-}}{I^{+}+I^{-}}}$

나노유체논리소자

전달은 적용된 바이어스에 비례합니다(저항).
반송을 한 방향으로 이동할 수 있습니다(다이오드).
세 번째 극(트랜지스터)을 도입하여 게인을 제어할 수 있습니다.
비대칭 게이트에 의한 전진/후진 방향 제어(전계효과 재구성 가능 다이오드)

다이오드

나노유체 다이오드는 이온수송의 ^[8]^[9]^[10]정류에 이용된다.전자 회로의 다이오드는 전류 흐름을 한 방향으로 제한합니다.나노유체 다이오드는 이온 흐름을 한 방향으로 제한하는 동일한 기능을 가지고 있다.나노유체다이오드는 반지름 치수가 수 나노미터인 채널이다.채널의 내부 표면은 표면 전하로 코팅되어 있습니다.벽면의 표면 전하가 같은 부호일 때 전류 정류가 발생할 수 있습니다.또한 채널의 절반이 반대쪽 표지 또는 전기적으로 중립으로 코팅되어 있으면 정류 기능이 향상됩니다.

채널 벽면에 양전하가 코팅되면 전해질 내의 음전하 이온이 끌어당겨 채널 내에 축적됩니다.이 경우 채널을 통과하는 정전하의 흐름이 좋지 않아 이온 전류가 감소합니다.따라서 바이어스 전압이 반전되면 이온 전류가 비대칭이 됩니다.

전방 바이어스 나노유체 다이오드
역바이어스 나노유체다이오드

전계효과 트랜지스터

게이트 전극으로서 나노채널에 추가 전극을 인가함으로써 ^[11]^[12]채널 내의 전위를 조정할 수 있다.금속 게이트 전극과 ^[13]채널 사이에 산화물을 유전체로 하는 실리카 나노튜브로 나노유체 효과 트랜지스터를 만들 수 있다.따라서 게이트에 인가되는 전압을 변경하여 이온 전류를 조정할 수 있습니다.게이트 바이어스와 소스 드레인 바이어스는 나노채널 내에서 양이온과 음이온 농도를 조정하기 위해 적용되며,^[14] 따라서 게이트 바이어스를 통과하는 이온 전류를 조정합니다.

이 개념은 전자회로의 금속 산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 구조와 유사합니다.MOSFET와 마찬가지로 나노유체 트랜지스터는 나노유체 회로를 구축하기 위한 기본 소자입니다.이온 입자에 대한 논리 연산 및 조작이 가능한 나노유체 회로를 실현할 가능성이 있다.

게이트 전압에 의해 이온 전류 흐름의 컨덕턴스가 제어되므로 채널 벽으로 유전율이 높은 재료를 이용하는 것이 바람직하다.이 경우 게이트 캐패시턴스가 높기 때문에 채널 내에 더 강한 필드가 표시됩니다.게이트 전극에 의한 전위 동조 효과를 강화하기 위해 표면 전하가 적은 채널 표면도 바람직하다.이를 통해 채널 내의 이온 환경 및 정전 환경을 공간 및 시간적으로 조정할 수 있습니다.

나노유체전계효과트랜지스터
나노유체 바이폴라^[15] 트랜지스터

전계 효과 재구성 가능 다이오드

나노채널을 따라 비대칭 전계효과를 도입함으로써 전계효과 재구성 가능한 나노유체다이오드가 ^[16]실현 가능하며, 전계효과 재구성 가능한 나노유체다이오드는 전진/후진방향 및 정류도 등의 다이오드 기능의 조립 후 재구성을 특징으로 한다.이온/분자의 양만 정전위로 조절되는 나노유체 전계효과 트랜지스터와 달리 전계효과 재구성 가능한 다이오드는 이온/분자 수송의 방향과 크기를 모두 제어할 수 있다.이 장치는 전자 필드 프로그래머블 게이트 어레이의 이온 대응 요소를 위한 구성 요소로 간주될 수 있습니다.

이온 바이폴라 트랜지스터

이온 바이폴라 트랜지스터는 나노 스케일 치수의 개구부가 가장 작은 두 개의 원추형 채널에서 만들 수 있습니다.양측에 반대 표면 전하를 도입함으로써 이온 전류를 이온 다이오드로 보정할 수 있다.이온 바이폴라 트랜지스터는 2개의 이온 다이오드를 결합하여 채널 내면을 따라 PNP 접합을 형성함으로써 구축된다.이온 전류는 이미터 끝에서 컬렉터 끝까지이지만 전류의 세기는 베이스 전극에 의해 변조될 수 있습니다.채널 벽의 표면 전하는 전해질 농도 또는 pH 값을 변경하여 화학적 방법으로 수정할 수 있습니다.

이온 삼극자

나노유체 3극은 양전하 알루미나와 음전하 실리카 ^[17]나노채널로 이루어진 3단 이중접합 나노유체 소자이다.이 장치는 기본적으로 3단자 양극 접합 트랜지스터입니다.이미터와 컬렉터 단자에 걸친 전압을 제어함으로써 베이스 단자에서 다른 2개의 단자 중 하나로 이온 전류를 조절할 수 있으며 이온 단극, 2초점 스위치로 기능한다.

나노 구조의 크기 효과

나노채널 폭

마이크로스케일 폭의 채널 벽에 표면 전하가 존재하면 반대편이 끌어당겨 정전력에 의해 코이온이 격퇴된다.대향소는 벽 근처에 차폐 영역을 형성합니다.이 영역은 전위가 중성성의 부피값으로 떨어질 때까지 데비 길이라고 불리는 일정 거리까지 용액을 투과합니다.Debye 길이는 일반적으로 수용액의 경우 1nm에서 100nm 범위입니다.

나노 채널에서는 일반적으로 데바이의 길이가 채널 폭과 비슷하므로 채널 내의 용액이 충전됩니다.유체 내부의 이온은 표면 전하로부터 더 이상 보호되지 않습니다.대신 표면 전하가 나노 채널 내 이온의 역학에 영향을 미칩니다.

마이크로 유체 채널, 채널 내에서^[18] 전기적으로 중립
나노유체 채널, 채널 내부에서 전기적으로 충전됨

나노채널 길이

채널이 좁고 길어야 선택성이 양호합니다.즉, 애스펙트비가 높은 채널일수록 선택성이 우수합니다.선택성을 더욱 높이려면 높은 전하를 가진 ^[7]벽이 필요합니다.

이온 선택성의 성능 또한 적용된 편견과 크게 관련이 있다.바이어스가 낮을 경우 높은 선택성이 관찰됩니다.바이어스 전압이 증가함에 따라 선택성이 현저하게 감소합니다.아스펙트비가 낮은 나노채널은 바이어스 전압이 낮을 때 높은 선택성이 가능하다.

채널이 길고 바이어스 전압이 낮으면 선택성이 높습니다.
짧은 채널과 높은 바이어스 전압으로 인해 선택성이 낮음

제조

나노유체 소자의 장점은 전자 회로와 집적될 수 있다는 것이다.같은 제조기술로 구축돼 하나의 칩에 디지털 집적회로 나노유체 시스템을 만들 수 있다.따라서 실시간으로 ^[19]전해질 내 입자의 제어와 조작을 할 수 있다.

나노채널 제작은 하향식과 상향식으로 나뉜다.하향식 방법은 IC 산업 및 마이크로 전기 기계 시스템 연구에 사용되는 기존 프로세스입니다.벌크 실리콘 웨이퍼 상의 사진 석판 인쇄로 시작합니다.이와는 대조적으로 상향식 방법은 고유의 나노 스케일 차원을 가진 원자 또는 분자에서 시작합니다.이 구성 요소들을 정리하고 결합함으로써 불과 몇 나노미터의 작은 구조를 형성할 수 있다.

톱다운 방식

톱다운 제작의 전형적인 방법은 기판 웨이퍼 상의 채널의 형상을 정의하는 포토 리소그래피를 포함한다.지오메트리는 여러 박막 증착 및 식각 단계를 통해 트렌치를 형성합니다.그런 다음 기판 웨이퍼를 다른 웨이퍼에 접합하여 트렌치를 밀봉하고 채널을 형성합니다.나노채널을 만드는 다른 기술로는 희생층을 이용한 표면 마이크로머신 가공, 나노 임프린트 리소그래피, 소프트 리소그래피 등이 있다.

상향식 방법

보텀업 제조에 사용되는 가장 일반적인 방법은 자가조립단층(SAM)입니다.이 방법은 보통 생물학적 물질을 사용하여 기판 위에 분자 단분자를 형성합니다.나노채널은 탄소나노튜브(CNT)와 양자선의 성장으로 제작할 수도 있다.보텀업 방법은 보통 몇 나노미터 정도의 특징적인 길이로 잘 정의된 모양을 제공합니다.이러한 구조가 나노유체 소자로 활용되기 위해서는 나노채널과 마이크로유체계의 상호연결이 중요한 과제가 되고 있다.

내부 표면에 특정 전하를 코팅하는 방법은 여러 가지가 있습니다.벌크 용액은 일정 거리 내에서만 나노채널 입구를 투과하기 때문에 확산 제한 패턴을 이용할 수 있다.왜냐하면 확산속도는 반응물마다 다르기 때문입니다.나노채널에 유입되는 반응물질의 여러 단계를 도입함으로써 ^[20]채널 내에서 다른 표면전하로 표면을 패턴화할 수 있다.

어플

나노유체 소자는 화학, 분자생물학, 의학 분야에서 응용하기 위해 만들어졌다.나노유체소자를 사용하는 주된 목적은 약물전달용 나노입자를 포함한 용액의 분리 및 측정, 유전자 치료, 나노입자 독성학 등을 마이크로-토탈 분석시스템에서 ^[21]사용하는 것이다.마이크로 스케일 및 나노 스케일 시스템의 중요한 장점은 분석에 사용되는 샘플 또는 시약의 양이 적다는 것입니다.이것에 의해, 샘플 처리에 필요한 시간이 단축됩니다.또한 어레이 내에서 분석을 수행할 수 있으므로 프로세스 속도가 더욱 빨라지고 분석 스루풋이 향상됩니다.

나노채널은 단일분자 감지 및 진단과 DNA 분리에 이용된다.많은 경우 나노유체디바이스는 유체의 논리연산을 용이하게 하기 위해 마이크로유체시스템 내에 통합되어 있다.나노유체 시스템의 미래는 분석 화학과 생화학, 액체 수송과 계량, 에너지 변환과 같은 여러 분야에 집중될 것이다.

나노유체학에서는 이온의 원자가수에 따라 순전기영동속도가 결정됩니다.즉, 나노채널 내의 이온 속도는 이온 이동성뿐만 아니라 이온 원자가와도 관련이 있다.마이크로 채널에서는 할 수 없는 나노유체 소트 기능이 가능해진다.따라서 나노채널을 이용하여 짧은 가닥 DNA를 선별 및 분리할 수 있다.단분자 DNA 애플리케이션의 경우, 최종 목표는 재현 가능하고 정확한 결과에서 게놈 DNA 가닥을 배열하는 것이다.크로마토그래피 또는 용액 내 다양한 성분의 분리에서도 유사한 응용을 발견할 수 있다.

섬유 합성에서도 응용할 수 있다.고분자 섬유는 액체와 진공의 계면에서 모노머를 일렉트로스핀함으로써 제조할 수 있다.기판상에 배열된 모노머의 흐름으로부터 조직화된 폴리머 구조를 형성한다.

나노유체 기술을 에너지 전환에 도입하려는 시도도 있다.이 경우 충전된 벽은 고정자 역할을 하고 흐르는 용액은 로터 역할을 합니다.압력 구동 용제가 충전된 나노채널을 흐를 때 스트리밍 전류와 스트리밍 전위를 발생시킬 수 있다는 것이 관찰되었습니다.이 현상은 전기 에너지 수집에 사용될 수 있습니다.

나노 제조 기술의 진보와 에너지 부족에 대한 우려는 사람들로 하여금 이 아이디어에 관심을 갖게 한다.주요 과제는 효율을 높이는 것입니다.현재 몇 %에 불과하지만 표준 회전식 전자파 발전기의 효율은 최대 95%입니다.

최근의 진보

최근의 연구는 나노유체 소자를 마이크로시스템에 통합하는 것에 초점을 맞추고 있다.2개의 길이 스케일간의 접속을 위한 인터페이스를 작성해야 합니다.나노유체소자만 있는 시스템은 나노채널로 ^[22]유체를 유입시키기 위해 큰 구동압력이 필요하기 때문에 실용적이지 않습니다.

나노유체 소자는 고감도, 시료물질의 정확한 조작이 단일 분자까지 강력하다.그럼에도 불구하고 나노유체 분리 시스템의 단점은 상대적으로 낮은 샘플 처리량과 검출 결과입니다.이 문제에 대처하는 방법 중 하나는 각 채널에서 병렬 검출이 가능한 병렬 분리 채널을 사용하는 것입니다.또한 존재하는 분자의 양이 매우 적기 때문에 검출을 위한 더 나은 접근법이 만들어질 필요가 있다.

이 연구 분야의 가장 큰 과제 중 하나는 독특한 크기 효과입니다.연구자들은 극도로 높은 표면 대 부피 비율로 인해 발생하는 문제를 해결하기 위해 노력한다.이 상태에서 분자의 흡착은 큰 손실을 초래할 수 있으며 표면 특성을 변화시킬 수도 있습니다.

검출을 위한 샘플이 DNA나 단백질과 같은 비교적 큰 분자일 때 또 다른 문제가 발생합니다.큰 분자의 응용에서는 나노채널의 크기가 작기 때문에 막힘이 우려됩니다.이 응용 프로그램에서는 유체 채널의 차단을 방지하기 위해 채널 내부 표면의 저마찰 코팅이 바람직합니다.

「」를 참조해 주세요.

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