Un dispositif nanofluidique permettant de fabriquer des interfaces gaz-liquide à l'échelle nanométrique. Crédit :Yan Xu, Université de la préfecture d'Osaka
Lorsque le liquide rencontre le gaz, une zone unique se forme. Variables par nature, les molécules peuvent passer d'un état à un autre, se combinant de manière unique à des fins souhaitables ou indésirables. De la chaleur s'échappant d'une tasse de café à l'augmentation des concentrations moléculaires dans les solutions chimiques, les interfaces gaz-liquide sont omniprésentes dans la nature et l'ingénierie. Mais le manque d'outils capables de contrôler précisément de telles interfaces gaz-liquide limite leurs applications, jusqu'à présent.
Des chercheurs basés à l'Université de la préfecture d'Osaka ont développé la première interface gaz-liquide contrôlable à l'échelle nanométrique. Ils ont publié leur conception et leurs résultats expérimentaux le 14 octobre dans Nano Letters .
"Qu'elles soient conçues ou qu'elles se produisent dans la nature, les interfaces gaz-liquide jouent un rôle important dans de nombreux processus chimiques et biologiques", a déclaré l'auteur de l'article Yan Xu, professeur agrégé de génie chimique à la Graduate School of Engineering de l'Université de la préfecture d'Osaka. "Des interfaces gaz-liquide à l'échelle nanométrique ont été générées de manière aléatoire dans des nanotubes de carbone et des membranes poreuses, par exemple, mais la fabrication de versions contrôlables à l'échelle nanométrique reste un défi car les canaux nanofluidiques sont trop petits pour utiliser les approches conventionnelles de contrôle de surface."
Les dispositifs fluidiques aident les chercheurs à capturer des molécules cibles et à examiner des propriétés spécifiques, ainsi que des interactions de force à travers des canaux à l'échelle nanométrique conçus avec une géométrie contrôlée avec précision, a déclaré Xu.
Dans les dispositifs microfluidiques, qui contiennent des canaux environ 1 000 fois plus grands que ceux des dispositifs nanofluidiques, la surface des canaux peut être modifiée pour attirer ou rejeter des molécules spécifiques.
"Une telle modification de surface est couramment utilisée pour les canaux microfluidiques, mais son applicabilité aux canaux nanofluidiques n'est presque jamais explorée", a déclaré Xu.
Alors que les dispositifs microfluidiques peuvent être fabriqués à partir d'une variété de matériaux, les dispositifs nanofluidiques nécessitent un substrat en verre. Selon Xu, les propriétés du verre, telles que la transparence optique, la stabilité thermique et la robustesse mécanique, en font un matériau favorable pour des applications dans un large éventail de disciplines et un matériau idéal en nanofluidique.
Bien que de nature hydrophile, le verre peut être rendu hydrophobe, une technique utilisée dans la modification de surface pour aider à empêcher les molécules du liquide échantillon de se lier aux molécules du verre. Les chercheurs ont également fabriqué des nanocanaux de verre - qui ont à peu près la largeur de 1/1 000 d'une feuille de papier - avec des nanomotifs d'or hydrophiles placés avec précision pour attirer localement les molécules liquides à l'entrée des nanocanaux. Les nanopatterns d'or ont été fabriqués à l'aide d'une technique appelée intégration "Nano-in-Nano", qui a été développée par les chercheurs et permet une structuration précise de nanopatterns fonctionnels beaucoup plus petits dans les minuscules canaux nanofluidiques.
Le dispositif nanofluidique fabriqué qui en résulte est un peu plus grand qu'un timbre-poste et pas beaucoup plus épais. Les nanocanaux de tailles variées, invisibles à l'œil humain, sont assis au centre, pris en sandwich entre un système d'introduction de liquide en forme de deux fers à cheval.
Pour tester le traitement hydrophobe, les chercheurs ont poussé de l'eau dans les nanocanaux unidimensionnels (1D) plus larges. Dans les canaux non traités, l'eau s'infiltrera dans les nanocanaux bidimensionnels (2D) plus étroits en utilisant la même force qui permet aux plantes de distribuer l'eau de ses racines à ses feuilles sans aucune pression externe.
Crédit :Université de la préfecture d'Osaka
"En revanche, nous avons observé que le débit d'eau s'arrêtait à l'entrée des canaux nanofluidiques 2D jusqu'à une pression externe de 400 kPa", a déclaré Xu. C'est à peu près l'équivalent de la force de la pression moyenne de l'eau d'un robinet domestique. Au-delà de cette pression, les chercheurs ont découvert que l'eau briserait les canaux nanofluidiques.
Le test a validé la nature hydrophobe des canaux, de sorte que les chercheurs ont ensuite rempli les canaux avec une solution aqueuse d'éthanol à haute pression, puis ont utilisé de l'air pour éliminer le liquide du canal gauche, créant une interface gaz-liquide. Sous pression nulle, l'interface s'est déplacée jusqu'aux entrées des nanocanaux 2D et s'est uniformément arrêtée aux nanomotifs d'or hydrophiles, se tenant pendant plus d'une heure. Sous une certaine pression externe, l'interface pourrait être transportée le long des canaux nanofluidiques.
Une fois la stabilité de l'interface gaz-liquide à l'échelle nanométrique confirmée, les chercheurs ont également testé avec succès la capacité à concentrer des molécules d'intérêt dans l'interface à l'échelle nanométrique.
Les chercheurs prévoient de développer davantage des dispositifs d'analyse et de diagnostic à base de puces capables de séparer, de concentrer et de détecter des matières biologiques, telles que des virus ou des biomarqueurs, à partir d'échantillons extrêmement petits.
« Les interfaces gaz-liquide à l'échelle nanométrique fabriquées dans des canaux nanofluidiques à motifs nanométriques hydrophiles et hydrophobes offrent la possibilité d'enrichir avec précision des molécules cibles dans un espace nanométrique bien défini, ce qui aura un impact révolutionnaire sur une variété de processus et d'applications chimiques, physiques et biologiques à l'avenir », Xu a dit. Nanoporateur d'exosomes :un dispositif nanofluidique pour développer des véhicules d'administration de médicaments à base d'exosomes
