Dal pompaggio dell'acqua radiale a quello unidirezionale in zeta

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2812 (2022) Citare questo articolo

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Le micropompe a propulsione chimica stanno promettendo sistemi wireless per guidare autonomamente i flussi di fluidi per molte applicazioni. Tuttavia, molti di questi sistemi sono attivati ​​da combustibili chimici nocivi, non possono funzionare ad elevate concentrazioni di sale o hanno difficoltà a controllare la direzionalità del flusso. In questo lavoro riportiamo una micropompa polimerica autoalimentata alimentata da sale che può innescare flussi di fluido sia radiali che unidirezionali. La micropompa si basa sullo scambiatore cationico Nafion, che produce gradienti chimici e campi elettrici locali in grado di innescare flussi elettroosmotici interfacciali. Il pompaggio unidirezionale è previsto mediante simulazioni e ottenuto sperimentalmente nanostrutturando Nafion in microarray con una modulazione fine dei potenziali zeta della superficie circostante. Le micropompe Nafion funzionano in un'ampia gamma di concentrazioni saline, sono riutilizzabili e possono essere alimentate da diversi cationi salini. Dimostriamo che funzionano con il comune cadmio, un contaminante dell'acqua, utilizzando la cattura di questo ione come combustibile per azionare il pompaggio dei fluidi. Pertanto, questo sistema ha il potenziale per strategie di purificazione dell’acqua efficienti e veloci per il risanamento ambientale. Le pompe unidirezionali Nafion sono inoltre promettenti per un'efficace erogazione o preconcentrazione degli analiti per i test di (bio)rilevamento.

I flussi di fluidi diffusiosmotici e/o elettroosmotici interfacciali innescati da gradienti chimici autogenerati sono la base dietro micro/nanomotori o nuotatori a propulsione chimica. L'intensa attività in questo affascinante campo negli ultimi anni ha fornito dimostrazioni molto interessanti di nuotatori multitasking1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20. Le controparti immobilizzate dei micro/nanomotori sono micropompe, che condividono lo stesso principio di funzionamento dei nuotatori, ma guidano il flusso del fluido circostante anziché semoventi in un fluido a riposo21. Queste versioni immobilizzate dei motori sono anche particolarmente adatte per una migliore indagine sperimentale e per comprendere i meccanismi foretici dietro i nuotatori21. Le micropompe sono anche piattaforme promettenti per molte applicazioni come il rilascio di massa, il trasporto, l'accumulo e lo smaltimento5,22; modellazione del materiale in posizioni precise23,24,25; o in applicazioni di rilevamento22,26,27.

Negli ultimi anni sono state studiate micropompe autoalimentate di diversa composizione materiale e principi di funzionamento. La maggior parte degli studi si è concentrata su pompe catalitiche bimetalliche o semiconduttrici/metalliche governate da flussi elettroosmotici5,21,28,29,30,31,32,33,34. Altri tipi di pompe hanno combinato materiali passivi con metalli, semiconduttori, sali solidi, polimeri o enzimi, attivando flussi convettivi ionici, diffusiosmotici neutri o guidati dalla densità indotti dai gradienti di ioni o specie neutre generati nella parte attiva di la pompa32,35,36,37,38,39. Il pompaggio di fluidi è stato ottenuto anche semplicemente illuminando una camera microfluidica con luce UV, avviando reazioni fotochimiche nella fase di soluzione che guidano i flussi mediante galleggiabilità del soluto (nel fluido sfuso) e osmosi di diffusione (sulle pareti della camera)27.

Molte delle pompe sopra descritte vengono attivate dalla reazione di decomposizione del perossido di idrogeno (H2O2) che può essere tossica per alcune applicazioni, soprattutto nel contesto biologico. Pertanto, è sempre necessario cercare combustibili chimici più innocui o nuovi meccanismi di reazione per superare tali limiti. L'uso di motori o pompe alimentati da substrati enzimatici è un modo molto elegante per espandere le applicazioni in campo biomedico9,10,37,38,39. Un'altra alternativa che utilizza combustibili innocui sono le pompe autoalimentate o i nuotatori realizzati con polimeri a scambio ionico. In questo contesto è stata riportata una pompa basata sull'immobilizzazione di particelle di resine a scambio ionico su vetro con la capacità di innescare flussi elettroosmotici con concentrazioni saline micromolari40. Tuttavia, la maggior parte delle applicazioni di bonifica biomedica e ambientale devono operare a concentrazioni di sale più elevate.