Zeta의 방사형에서 단방향 워터 펌핑까지

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2812(2022) 이 기사 인용

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화학적으로 추진되는 마이크로 펌프는 많은 응용 분야에서 유체 흐름을 자율적으로 구동하는 유망한 무선 시스템입니다. 그러나 이러한 시스템 중 다수는 유해한 화학 연료에 의해 활성화되고, 높은 염분 농도에서 작동할 수 없거나 흐름 방향을 제어하는 ​​데 어려움이 있습니다. 이 연구에서 우리는 방사형 및 단방향 유체 흐름을 모두 유발할 수 있는 소금을 연료로 사용하는 자체 구동 폴리머 마이크로펌프에 대해 보고합니다. 마이크로펌프는 계면 전기삼투 흐름을 촉발할 수 있는 화학적 구배와 국소 전기장을 생성하는 양이온 교환기 Nafion을 기반으로 합니다. 단방향 펌핑은 시뮬레이션에 의해 예측되고 Nafion을 주변 표면 제타 전위의 미세 조정 변조를 통해 마이크로어레이로 나노구조화함으로써 실험적으로 달성됩니다. Nafion 마이크로펌프는 광범위한 염 농도에서 작동하고 재사용이 가능하며 다양한 염 양이온으로 연료를 공급할 수 있습니다. 우리는 이 이온을 자체적으로 포획하여 유체 펌핑을 구동하는 연료로 사용하여 일반적인 수질 오염 물질인 카드뮴과 함께 작동한다는 것을 보여줍니다. 따라서 이 시스템은 환경 개선을 위한 효율적이고 빠른 정수 전략을 위한 잠재력을 가지고 있습니다. 단방향 Nafion 펌프는 또한 (생체)감지 분석을 위한 효과적인 분석물 전달 또는 사전 농축에 대한 가능성을 가지고 있습니다.

자체 생성된 화학적 구배에 의해 유발되는 계면 확산-삼투 또는/및 전기삼투 유체 흐름은 화학적으로 추진되는 마이크로/나노모터 또는 수영의 기초입니다. 지난 몇 년간 이 매혹적인 분야에서의 강렬한 활동은 멀티 태스킹 수영 선수들의 매우 매력적인 시범을 제공했습니다1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20. 마이크로/나노모터의 고정된 대응물은 마이크로 펌프로, 수영 선수와 동일한 작동 원리를 공유하지만 정지 유체에서 자체 추진하는 대신 주변 유체의 흐름을 구동합니다21. 이러한 고정된 모터 버전은 수영 선수 뒤에 있는 영동 메커니즘을 더 나은 실험적으로 탐색하고 이해하는 데 특히 적합합니다. 마이크로펌프는 또한 대량 방출, 운송, 축적 및 정리와 같은 많은 응용 분야를 위한 유망한 플랫폼입니다5,22; 정확한 위치에서의 재료 패터닝23,24,25; 또는 감지 애플리케이션22,26,27.

다양한 재료 구성과 작동 원리를 갖춘 자가 ​​동력 마이크로 펌프가 최근 몇 년간 조사되었습니다. 대부분의 연구는 전기삼투 흐름5,21,28,29,30,31,32,33,34에 의해 제어되는 촉매 바이메탈 또는 반도체/금속 펌프에 중점을 두었습니다. 다른 유형의 펌프는 수동 재료를 금속, 반도체, 고체 염, 폴리머 또는 효소와 결합하여 이온, 중성 확산-삼투 또는 활성 부분에서 생성된 이온 또는 중성 종의 구배에 의해 유도되는 밀도 구동 대류 흐름을 전환합니다. 펌프32,35,36,37,38,39. 유체 펌핑은 또한 UV 광으로 미세유체 챔버를 조명하여 용질 부력(벌크 유체 내) 및 확산-삼투(챔버 벽에서)에 의해 흐름을 유도하는 용액 단계에서 광화학 반응을 시작함으로써 달성되었습니다.

위에 설명된 많은 펌프는 일부 응용 분야, 특히 생물학적 맥락에서 독성이 있을 수 있는 과산화수소(H2O2) 분해 반응에 의해 작동됩니다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위해서는 보다 무해한 화학 연료나 새로운 반응 메커니즘을 모색할 필요성이 항상 존재합니다. 효소 기질에 의해 공급되는 모터 또는 펌프의 사용은 생물의학 분야9,10,37,38,39에서 응용 분야를 확장하는 매우 우아한 방법입니다. 무해한 연료를 사용하는 또 다른 대안은 이온 교환 폴리머로 만들어진 자체 동력 펌프 또는 수영 장치입니다. 이러한 맥락에서, 마이크로몰 염 농도로 전기삼투 흐름을 유발하는 능력을 갖춘 유리에 이온 교환 수지 입자를 고정화하는 펌프가 보고되었습니다. 그러나 대부분의 생의학 및 환경 개선 응용 분야는 더 높은 염분 농도에서 작동해야 합니다.