Ny teknik styrer væsker på nanoskala

(Phys.org) – Forskere ved Swinburne University of Technology har afsløret en revolutionerende metode til at pumpe væske på nanoskalaniveau, som har potentiel brug til afsaltning af vand og laboratorie-på-en-chip-enheder.

De har udviklet en enkel, meget nøjagtig model til at forudsige væskebevægelser for stærkt indesluttede væsker og derefter bruge denne viden til at drive flow uden mekanisk pumpning eller brug af elektroder.

"Konventionel fluiddynamikmodellering fungerer perfekt med ting, vi kan se, såsom luftstrømmen over et fly, " sagde Swinburnes professor Billy Todd.

"Men når enheder når op på en nanometerstørrelse eller 1 milliardtedel af en meter – omkring en tiende tusindedel af diameteren af ​​et menneskehår – bryder de grundlæggende antagelser om væskemekanik sammen. Det er svært at tvinge væske til at flyde i begrænsede dimensioner, der kun er nogle få atomer tykke."

Professor Todd er formand for Institut for Matematik på Fakultet for Naturvidenskab og Teknologi i Swinburne. Sammen med kolleger hos Swinburne, RMIT og Roskilde Universitet i Danmark, han har anvendt ideer fra matematik og fysik, og brugte supercomputere til at se på, hvad der sker ved grænsefladen mellem den faste overflade og væsken ved nanometerdimensioner.

"For flere år siden, forskere i Frankrig og Tyskland udviklede en teori om, at et roterende elektrisk felt kunne få vandmolekyler til at spinde, og at denne spin-bevægelse kunne omdannes til lineær strømningsvæskebevægelse, " sagde professor Todd.

"Hvis symmetrien af ​​de begrænsende vægge kunne brydes, så den ene væg var hydrofil og tiltrak vand, mens den anden var hydrofob og afviste vand, så blev det matematisk vist, at vand kunne fås til at strømme i kun én retning, nemlig langs kanalen."

Professor Todds team har videreudviklet denne teori og udført de første molekylær dynamik computersimuleringer for at demonstrere denne effekt, efterligner nanobundet vand under påføring af et roterende mikrobølgefelt.

Det, de fandt, var, at brugen af ​​cirkulært polariserede mikrobølger kunne drive en betydelig strømning på nanoskala uden væsentlig opvarmning af vandet.

"Flow kan opretholdes, når væsken drives ud af ligevægt af et eksternt ensartet roterende elektrisk felt og indespærret mellem to flade overflader med forskellige grader af hydrofobicitet, dermed åbner op for en helt ny måde at pumpe og kontrollere væskeflow begrænset til nano- eller mikrometerskaladimensioner, " sagde professor Todd.

Han sagde, at denne opdagelse har en potentiel anvendelse til afsaltning af vand såvel som til bioteknologiske diagnostiske værktøjer såsom laboratorie-på-en-chip-enheder.

Denne forskning blev for nylig offentliggjort i Langmuir . Professor Todd søger nu en eksperimentel partner til at verificere denne model i et laboratorium.