הצגת המקור של הדף "ננו-פלואידיקה"

'''ננו-פלואידיקה''' הוא תחום אשר [[מחקר|חוקר]] את ההתנהגות, ה[[תורת הבקרה|בקרה]] והשליטה של תהליכי [[מכניקת הזורמים|זרימה]] בתוך [[ננו-מבנה|מבנים ננומטריים]] ([[סדר גודל]] של 1-100 [[ננומטר]]) כגון ננו-תעלות, נקבוביות, ננו-חרירים. הננו-פלואידיקה התפתחה מתוך ה[[מיקרופלואידיקה]] עם התקדמות תהליכי המזעור.

זורמים אשר נמצאים במבנים ננומטריים מתנהגים באופן שונה מאשר זורמים במבנים שאינם ננומטריים.
סדר הגודל של הזורמים בתוך מבנים ננומטריים הוא בקנה מידה מולקולארי וקרוב מאוד ל[[אורך דביי]] (מדד לטווח ההשפעה [[אלקטרוסטטיקה|האלקטרוסטטי]] של [[נושא מטען|נושאי מטען]] ב[[תמיסה]]) ולכן חלק מן המאפיינים של הזורמים במבנה הננומטרי שונים ממבנים גדולים מהם ונשלטים על ידי גודל המבנה בהם הם זורמים.

==תכונות==
כאשר [[מבנה]] נכנס לתחום הגודל הננומטרי, מגבלות פיזיקליות חדשות פועלות על האופן בו הזורם מתנהג. מגבלות אלו יוצרות אזורים שבהם הזורם מציג מאפיינים שאינם נראים בסדר גודל [[מיקרון|מיקרומטרי]] ומעלה. בתעלות ננומטריות יחס [[שטח]] ל[[נפח]] גבוה במיוחד לכן האינטראקציה בין הזורם לדפנות הננו-תעלה הוא דומיננטי במיוחד. למשל התגובות הכימיות בממשק נוזל / מוצק עלולות להיות מושפעת משינויים [[תרמודינמיקה|תרמודינמיים]] אשר נגרמים על ידי [[צמיגות]] הולכת וגדלה בקרבת דפנות הנקבובית הננומטרית. דוגמה לכך ניתן למצוא [[ממברנה סינתטית|בממברנות]] בהם יש מערך ננו-נימים nanocapillary array membrane) - NCAM) כאשר דפנות הנימים טעונות [[מטען חשמלי]] כמתואר באיור למטה. 

בממשק [[נוזל]]/[[מוצק]] נוצרת התפלגות מטענים מאורגנת הנובעת מהאינטראקציה בין הדופן הטעונה למטענים בנוזל. התפלגות זו ידועה בשם השכבה החשמלית הכפולה  (Electrical double layer). השכבה החשמלית הכפולה בנקבוביות הננומטריות עלולה להתרחב עד לרוחב הננו-נקבובית עצמה וכתוצאה מכך יתרחשו שינויים דרמטיים בהתארגנות של הזורם ובמאפיינים הקשורים לתנועת הזורם במבנה. למשל, נוצרת סביבה בדפנות הנקבובית המעדיפה [[יון|יונים]] בעלי [[מטען חשמלי|מטען]] נגדי לסוג המטען בדופן הנקבובית מאשר יונים בעלי מטען משותף (co-ions- יונים בעלי אותו סוג מטען של מטעני דופן הנקבובית), במקרים רבים כניסה של היונים המשותפים (co-ions) נמנעת בצורה כמעט מושלמת, כך שנוצר מצב שבו הנקבובית סלקטיבית רק לסוג אחד של יונים. ניתן להשתמש בתכונה זו לשליטה בקיטוב השדה החשמלי על ידי [[התפלגות]] המטענים לאורך הנקבובית או הננו-תעלה על מנת לייצר תצורות זורמים לא סטנדרטיות אשר אינן אפשריות במבנים בעלי סדר גודל [[מיקרון|מיקרומטרי]] ומעלה.

== תאוריה ==
[[קובץ:NCAM.png|מסגרת|[[איור]] של [[ממברנה סינתטית|ממברנה]], בעלת [[מערך (מבנה)|מערך]] של ננו-קפילרות - NCAM מורכבת ממספר רב של ננו-קפילרות מקבילות, שלכל אחת מהן יש [[רדיוס]] a/2, שהוא בערך באותו האורך. של [[אורך דביי]] K<sup>-1</sup>.]]
בשנת [[1965]], Rice ו-Whitehead פרסמו את תרומתם המכוננת ל[[תאוריה]] של ניידות תמיסת [[אלקטרוליט]]ים בצינוריות ארוכות (באופן אידיאלי) בעלות [[קוטר]] ננומטרי.{{הערה|Rice, C. L.; Whitehead, R. ''Journal of Physical Chemistry'' 1965, '''69''', 4017-4024.}} {{ש}}
הפוטנציאל של ϕ, במרחק רדיאלי r נתון על ידי [[משוואת פואסון]] בולצמן
<br /><math>\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left (r \frac{d\phi}{dr} \right )= \kappa^2 \phi \ </math><br />
כאשר κ הוא [[אורך דביי|מרחק דביי]] ההופכי
<br /><math>\kappa = \sqrt{\frac{8\pi n e^2}{\epsilon k T}} </math><br />
κ נקבע על ידי ה[[צפיפות חלקיקים|צפיפות]] ה[[יון|יונית]]- n, ה[[קבוע דיאלקטרי|קבוע הדיאלקטרי]]- ε, [[קבוע בולצמן]]- k, וה[[טמפרטורה]]-T. בידיעת ה[[פוטנציאל חשמלי|פוטנציאל החשמלי]] (ϕ(r ניתן למצוא את [[צפיפות מטען|צפיפות המטען]] מתוך משוואת פואסון הניתנת להיות מבוטאת בפתרון של [[פונקציות בסל]] מסדר ראשון, I<sub>0</sub>, ומותאמת לסדר גודל של הרדיוס הקפילרי a.{{ש}}
[[משוואות תנועה|משוואת התנועה]] תחת שילוב של [[לחץ]] ו[[זרם חשמלי|זרם]] המונע חשמלית ניתנת לביטוי על ידי:
<br /><math>\frac{1}{r} \frac{d}{dr} \left (r \frac{d v_z}{dr} \right )= \frac{1}{\eta} \frac{dp}{dz} - \frac{F_z}{\eta}</math><br />
כאשר η הוא ה[[צמיגות]], dp/dz הוא [[גרדיאנט]] ה[[לחץ]], ו- Fz הוא [[כוח (פיזיקה)|כוח]] ה[[גוף]] אשר מונע על ידי הפעולה של [[שדה חשמלי|השדה החשמלי]] המופעל עליו, Ez צפיפות רשת המטענים בשכבה הכפולה. כאשר אין לחץ המופעל על ההתפלגות הרדיאלית ה[[תאוצה]] ניתנת על ידי:
<br /><math>v_z\left (r \right) = \frac{\epsilon \phi_0}{4 \pi \eta} E_z \left [ 1 - \frac {I_0 \left ( \kappa r \right )} {I_0 \left ( \kappa a \right )} \right ]</math><br />

מהמשוואה הזו ברור כי זרימת הנוזלים בננו-צינוריות נשלטת על ידי ה[[מכפלה]] κa, שזה הגודל היחסי של מרחק דיביי והרדיוס של הנקבובית. על ידי התאמת שני הפרמטרים הללו וצפיפות המטען המשטחי של ה[[ננו-נקבובית|ננו-נקבוביות]], זרימת נוזלים ניתנת לשליטה כרצוננו.

== ייצור ==
[[קובץ:ZEISS Crossbeam 550- Your FIB-SEM for High Throughput 3D Analysis and Sample Preparation (33411552526).jpg|ממוזער|Carl Zeiss Crossbeam 550 - מכשיר [[אלומת יונים ממוקדת]]]]

[[קובץ:Nanofluidics channels (33411553986).jpg|ממוזער|<!--[[Nanofluidics]] channels fabricated with a Zeiss Crossbeam 550 L, in a silicon master stamp -->]]

מבני-ננו המאפשרים התנהגות ננו-פלואידית הם: ננו-תעלות, ננו-חריצים או מערכי ננו-חריצים ומערכי נקבים ותעלות. מבנים אלו עשויים מחומרים שונים כגון [[צורן|סיליקון]], [[זכוכית]], [[פולימר]]ים למשל: [[זכוכית אקרילית]] או PDMS-Polydimethylsiloxane או PCTE-polycarbonate
ושלפוחיות [[סינתטי]]ות.{{הערה|Karlsson, M.; Davidson, M.; Karlsson, R.; Karlsson, A.; Bergenholtz, J.; Konkoli, Z.; Jesorka, A.; Lobovkina, T.; Hurtig, J.; Voinova, M.; Orwar, O. ''Annu. Rev. Phys. Chem.'' 2004, '''55''', 613-649.}} תהליכי הייצור כוללים: [[פוטוליתוגרפיה]] סטנדארטית, [[הדפס אבן|ליתוגרפיה]] רכה, מיקרו-מכניקה גושית או משטחית, שיטות שכפול (הבלטה [[הדפסה]], [[יציקה]] ו[[הזרקה]]),  או [[איכול יבש|איכול]] כימי.
{{הערה|Lichtenberg, J.; Baltes, H. In ''Advanced Micro & Nanosystems'', 2004; Vol. 1, pp 319-355., 4}}{{הערה|Mijatovic, D.; Eijkel, J. C. T.; van den Berg, A. ''Lab on a Chip'' 2005, '''5''', 492-500.}}

== יישומים ==
גודלן הקטן של תעלות פלואידיקה מביא לידי כך שמבני ננו-פלואידיקה מיושמים באופן טבעי במצבים הדורשים שדגימות תטופלנה בכמויות קטנות ביותר, כגון: [[ספירת חיידקים|ספירת קולטר]]{{הערה|Saleh, O. A.; Sohn, L. L. ''Review of Scientific Instruments'' 2001, '''72''', 4449-4451.}}, הפרדות אנליטיות וקביעה של ביומולקולות, כגון [[חלבון|חלבונים]] ו-[[DNA]]{{הערה|Han, C.; Jonas, O. T.; Robert, H. A.; Stephen, Y. C. ''Applied Physics Letters'' 2002, '''81''', 3058-3060.}}, וטיפול בדגימות מוגבלות כמות.
אחד התחומים המבטיחים יותר של ננו-פלואידיקה הוא הפוטנציאל שלה להשתלבות במערכות מיקרופלואידיקה הכלולות במבני [[מעבדה על שבב]]. לדוגמה: יישום NCAM לאנליזה של גודל ומסה{{הערה|שם=Cannon|Cannon, J. D.; Kuo, T.-C.; Bohn, P. W.; Sweedler, J. V. Analytical Chemistry 2003, 75, 2224-2230.}}{{הערה|Ramirez, P.; Mafe, S.; Alcaraz, A.; Cervera, J. ''Journal of Physical Chemistry B'' 2003, '''107''', 13178-13187.}}{{הערה|Kohli, P.; Harrell, C. C.; Cao, Z.; Gasparac, R.; Tan, W.; Martin, C. R. ''Science'' 2004, '''305''', 984-986.}}{{הערה|Jirage, K. B.; Hulteen, J. C.; Martin, C. R. ''Analytical Chemistry'' 1999, '''71''' 4913-4918.}}{{הערה|Kuo, T. C.; Sloan, L. A.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. ''Langmuir'' 2001, '''17''', 6298-6303.}}, והפרדה סלקטיבית של נוזלים בעלי מאפיינים שונים{{הערה|שם=Cannon}}{{הערה|Fa, K.; Tulock, J. J.; Sweedler, J. V.; Bohn, P. W. ''Journal of the American Chemical Society'' 2005, '''127''', 13928-13933.}} או ערבוב של מגיבים ברמה המולקולארית וביעילות גבוהה{{הערה|Tzu-C. Kuo, Kim, H.K.; Cannon, D.M. Jr.; Shannon, M.A.; Sweedler, J.V.; Bohn, P.W. ''Angewandte Chemie International Edition'' 2004, '''43''', 1862-1865.}} .
בנוסף, יש אנלוגיה טבעית חזקה בין יכולות השליטה על נוזליים של מבני ננו-פלואידיקה לבין היכולות של רכיבים ננואלקטרונים לשלוט בזרימה
של [[אלקטרון|אלקטרונים]] וחורים. אנלוגיה זו נוצלה לחקירת תנועת נושאי מטען שונים ב[[טרנזיסטור ביפולרי|טרנזיסטורים דו-קוטביים]] (ביפולארים){{הערה|Daiguji, H.; Yang, P.D.; Majumdar, A., Ion transport in nanofluidic channels. ''NanoLetters'' 2004, '''4''', 137-142.}}{{הערה|Ivan Vlassiouk and Zuzanna S. Siwy, Nanofluidic Diode. ''Nano Letters'' 2007, '''7''', 552-556}} [[טרנזיסטור MOSFET|ובטרנזיסטורי תוצא שדה - FET]]{{הערה|Karnik, R.; Castelino, K.; Majumdar, A., Field-effect control of protein transport in a nanofluidic transistor circuit. ''Applied Physics Letters'' 2006, '''88''', 123114.}}{{הערה|Karnik, R.; Fan, R.; Yue, M.; Li, D.Y.; Yang, P.D.; Majumdar, A., Electrostatic control of ions and molecules in nanofluidic transistors. ''NanoLetters'' 2005, '''5''', 943-948.}}{{הערה|Pardon G, van der Wijngaart W. Modeling and simulation of electrostatically gated nanochannels. Advances in Colloid and Interface Science. 2013 Nov;199-200C:78–94. http://dx.doi.org/10.1016/j.cis.2013.06.006}} .
יישום נוסף של ננו-פלואידיקה הוא בתחום הננו-אופטיקה, לייצור מערך של מיקרו-עדשות מתכווננות{{הערה|Liquid micro-lens array activated by selective electrowetting on lithium niobate substrates
S. Grilli, L. Miccio, V. Vespini, A. Finizio, S. De Nicola, and P. Ferraro
Optics Express 16, 8084-8093 (2008).  http://dx.doi.org/10.1364/OE.16.008084}}{{הערה|P. Ferraro, L. Miccio, S. Grilli, A. Finizio, S. De Nicola, and V. Vespini, "Manipulating Thin Liquid Films for Tunable Microlens Arrays," Optics & Photonics News 19, 34-34 (2008) http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?URI=OPN-19-12-34}}. לננו-פלואידיקה יש השפעה משמעותית ב[[ביוטכנולוגיה]], [[רפואה]] ואבחון קליני עם פיתוח מכשירי מעבדה על שבב עבור וטכניקות דומות לטכנולוגית [[PCR]]{{הערה|שם=Herold2|{{cite book |author= Herold, KE; Rasooly, A | year=2009 |title=Lab-on-a-Chip Technology: Biomolecular Separation and Analysis | publisher=Caister Academic Press | isbn= 978-1-904455-47-9}}}}
. 
בגלל שהתפתחותו המדעית של ננו-פלואידיקה עדיין בחיתוליו, אנו יכולים לצפות לפיתוח מהיר של יישומים חדשים בשנים הקרובות.

== אתגרים ==
יש מגוון אתגרים הקשורים לזרימה של נוזלים דרך [[ננו-צינורית פחמן|ננו-צינוריות פחמן]]. תופעה שכיחה היא חסימת ערוץ בשל מקרומולקולות גדולות בנוזל כגון תמיסות של פולימרים ביולוגיים, הכוללים מולקולות ביולוגיות גדולות כגון [[DNA]] או חלבונים גדולים הנוהגות להיות במבנה מקופל. חוקרים מקווים למצוא פתרון לכך על ידי ציפוי הדפנות המאפשר אינטאקציה עם הזורם באופן שיפחית את היתכנות חסימת הערוץ למעבר הזורם.

== ראו גם ==
* [[פלואידיקה]]
* [[מיקרופלואידיקה]]
* [[תעלות מרצפות]]
* [[NEMS]]

== הערות שוליים == 
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:ננוטכנולוגיה]]
[[קטגוריה:הידרודינמיקה]]
[[קטגוריה:מיקרוטכנולוגיה]]