Forskere måler flow fra en nanoskala væskestråle

Flydende stråler er rundt omkring os:fra inkjetudskrivning, til "Old Faithful" gejser i Yellowstone National Park, til kosmologiske stråler flere tusinde lysår lange.

En forsker fra Northwestern University med samarbejdspartnere fra Cambridge University, Oxford University, og Centro Nacional de Biotecnología har for nylig verificeret den klassiske Landau-Squire-teori i den mindste nedsænkede jet. Diameteren på deres jetfly var i området 20 til 150 nanometer, som er længden på blot et par hundrede vandmolekyler opstillet i træk.

"Strømningshastigheden fra denne nanojet ligger i intervallet på titalls pico liter i sekundet, "sagde Sandip Ghosal, lektor i maskinteknik og (ved høflighed) ingeniørvidenskab og anvendt matematik ved Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science. "Med denne hastighed, hvis du var begyndt at fylde en to-liters sodavandsflaske på det tidspunkt, hvor den første pyramide blev bygget i Egypten, flasken ville være omkring halvfuld nu. "

Et papir, der beskriver forskningen, "En Landau-Squire Nanojet, "blev offentliggjort den 14. oktober i tidsskriftet Nano bogstaver .

Nanojet er designet omkring et glas "nano kapillær, "som forskerne fremstillede ved at opvarme en almindelig glaskapillær - et hul glasrør - med en laser og forsigtigt trække den, indtil den gik i stykker, skabe et fint tip. Forskerne anbragte en elektrisk spænding over kapillæren, som blev nedsænket i en saltopløsning for at skabe en elektroosmotisk strøm, der derefter opstod som en stråle.

For at måle jetstrømmen, forskerne byggede et lille vindmåler-en vindmølllignende enhed, der blev brugt til at måle vindhastighed-af en polystyrenperle på mindre end en halvtredsedel af et menneskehårs bredde. Perlen blev holdt på plads af en "optisk fælde, "en fint fokuseret laserstråle, der tjente som en spindel for det lille vindmåler. Da perlen var placeret foran strålen, det snurrede rundt, og et videokamera opfandt bittesmå udsving i lyset fra en fordybning på perlen.

Den nye anemometri-teknik gav forskerne mulighed for at kortlægge nanojets vorticitets- og hastighedsfelter og sammenligne det med dem, der forudsiges af den klassiske Landau-Squire-løsning i Navier-Stokes-ligningerne, de 200 år gamle ligninger, der danner grundlaget for den klassiske fysik. Deres observationer viste sig at være i enestående overensstemmelse med teorien.

"Navier-Stokes-ligningerne og alt, der stammer fra det, forventes at gå galt, når vi nærmer os molekylære skalaer, men ingen ved, hvor langt ned man kan skubbe, før det går i stykker, "Sagde Ghosal." Vi fandt ud af, at det fungerer meget fint ned til titalls nanometer. "

Forskerne observerede også et fænomen, de kalder strømningsretning:en asymmetri i strømningshastigheden med hensyn til spændingsomvendelse. De fandt ud af, at når spændingen vendes, kapillaren suger væske ind som forventet, men til en meget lavere sats. Kapillæren opfører sig således som en halvlederdiode - en elektronisk "ventil", der kun tillader strømning i kun en retning - men med væske, der strømmer i stedet for elektroner.

Nanojet har en række potentielle nye applikationer. En mulig anvendelse er som en injektor med meget lav volumen til overførsel af biomolekyler til celler eller vesikler, en proces, der anvendes i rekombinante DNA-teknologier, der er vigtige i produktionen af ​​humant insulin og sygdomsresistente afgrøder. Andre muligheder omfatter brug som "flow -ensretter" i mikrofluidiske logiske kredsløb, den funktionelle ækvivalent af halvlederdioder i mikroelektronik, og også i applikationer, der involverer nanoskala mønstre og mikro manipulation.