الدوائر النانوية السائلة

لتحليل انتقال الأيونات في القناة، يجب مراعاة سلوك النظام في الكيمياء الكهربائية وميكانيكا الموائع. تُستخدم معادلات بواسون-نيرنست-بلانك (PNP) لوصف التيار الأيوني المتدفق عبر القناة، بينما تُستخدم معادلات نافيير-ستوكس (NS) لتمثيل ديناميكيات الموائع في القناة.

تتكون معادلات PNP من معادلة بواسون : ^{[ 5 ] [ 6 ]}

${\displaystyle \nabla ^{2}\phi =-{\frac {1}{\varepsilon _{0}\varepsilon }}\displaystyle \sum _{a}z_{a}en_{a}}$

ومعادلات نرنست-بلانك ، التي تعطي تدفق الجسيمات لأنواع الأيونات${\displaystyle a}$بسبب تدرج التركيز وتدرج الجهد الكهربائي :

${\displaystyle {\boldsymbol {J}}_{a}=-D_{a}(\nabla n_{a}+{\frac {z_{a}en_{a}}{kT}}\nabla \phi )}$

أين${\displaystyle \phi }$هو الجهد الكهروستاتيكي،${\displaystyle e}$هي الشحنة الأساسية للإلكترون،${\displaystyle \varepsilon _{0}}$هي السماحية في الفراغ، و${\displaystyle \varepsilon }$ثابت العزل الكهربائي للمحلول؛${\displaystyle D_{a}}$،${\displaystyle n_{a}}$و${\displaystyle z_{a}}$وهي: معامل الانتشار، وكثافة عدد الأيونات، وتكافؤ أنواع الأيونات.${\displaystyle a}$.

يُحقق الحل في حالة الاستقرار معادلة الاستمرارية. لوصف مجال سرعة المائع في القناة، باستخدام معادلات نافيير-ستوكس :

${\displaystyle \nabla \cdot (n_{a}{\boldsymbol {u}}+{\boldsymbol {J}}_{a})=0}$

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {u}}=0}$

${\displaystyle {\boldsymbol {u}}\cdot \nabla {\boldsymbol {u}}={\frac {1}{\rho }}[-\nabla p+\mu \nabla ^{2}{\boldsymbol {u}}-(\displaystyle \sum _{a}z_{a}en_{a})\nabla \phi ]}$

أين${\displaystyle p}$،${\displaystyle {\boldsymbol {u}}}$،${\displaystyle \mu }$، و${\displaystyle \rho }$تمثل هذه المعادلات الضغط، ومتجه السرعة، واللزوجة، وكثافة السائل على التوالي. وعادةً ما تُحل المعادلات المذكورة أعلاه باستخدام خوارزمية عددية لتحديد السرعة، والضغط، والجهد الكهربائي، وتركيز الأيونات في السائل، بالإضافة إلى التيار الكهربائي المتدفق عبر القناة.

يُعرَّف الانتقاء الأيوني لتقييم أداء القناة النانوية في التحكم في تدفق الأيونات. ^{[ 7 ]} الانتقاء الأيوني هو نسبة الفرق في تيارات حاملات الشحنة الأغلبية والأقلية إلى إجمالي التيار الذي تحمله الأيونات الموجبة والسالبة معًا.${\displaystyle I}$في حالة القناة النانوية التي تتمتع بتحكم مثالي في الكاتيونات والأنيونات، تكون الانتقائية مساوية للوحدة. أما في حالة القناة النانوية التي لا تتمتع بتحكم في تدفق الأيونات، فتكون الانتقائية صفرًا.

${\displaystyle S={\frac {I^{+}-I^{-}}{I^{+}+I^{-}}}}$

تُستخدم الثنائيات النانوية السائلة لتقويم النقل الأيوني. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} يحدّ الثنائي في الدوائر الإلكترونية من تدفق التيار الكهربائي في اتجاه واحد. ويؤدي الثنائي النانوي السائل الوظيفة نفسها في تقييد التدفق الأيوني في اتجاه واحد. يتكون الثنائي النانوي السائل من قناة يبلغ نصف قطرها بضعة نانومترات، ويُغطى سطحها الداخلي بشحنات سطحية. يحدث تقويم التيار عندما تكون الشحنات السطحية على الجدار من نفس النوع. كما لوحظ أنه عند تغطية نصف القناة بشحنات ذات نوع معاكس أو متعادلة كهربائيًا، يتحسن التقويم.

عندما تُغطى جدران القناة بشحنات موجبة، تنجذب الأيونات سالبة الشحنة الموجودة في الإلكتروليت وتتراكم داخل القناة. في هذه الحالة، يكون تدفق الشحنات الموجبة عبر القناة غير مواتٍ، مما يؤدي إلى انخفاض التيار الأيوني. لذلك، يصبح التيار الأيوني غير متناظر عند عكس جهد الانحياز.

• 
  ثنائي نانوفلويدي منحاز انحيازًا أماميًا
• 
  ثنائي نانوفلويدي منحاز عكسيًا

بتطبيق قطب كهربائي إضافي على قناة نانوية كقطب بوابة، يُمكن ضبط الجهد الكهربائي داخل القناة. ^{[ 11 ] [ 12 ]} يُمكن تصنيع ترانزستور تأثير المجال النانوي المائع من أنابيب نانوية من السيليكا مع استخدام أكسيد كمادة عازلة بين قطب البوابة المعدني والقناة. ^{[ 13 ]} وبالتالي، يُمكن ضبط التيار الأيوني بتغيير الجهد المُطبق على البوابة. يُطبق انحياز البوابة وانحياز المصدر-المصب لضبط تركيز الكاتيونات والأنيونات داخل القناة النانوية، ومن ثم ضبط التيار الأيوني المتدفق عبرها. ^{[ 14 ]}

يُشابه هذا المفهوم بنية ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOSFET) في الدوائر الإلكترونية. وكما هو الحال مع MOSFET، يُعد الترانزستور النانوي السائل عنصرًا أساسيًا لبناء دارة نانوية سائلة. ومن الممكن ابتكار دارة نانوية سائلة قادرة على إجراء عمليات منطقية ومعالجة الجسيمات الأيونية.

بما أن موصلية تدفق التيار الأيوني تُتحكم بها بواسطة جهد البوابة، يُفضل استخدام مادة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ كجدار للقناة. في هذه الحالة، يُلاحظ مجال أقوى داخل القناة نتيجةً لسعة البوابة الأعلى . كما يُفضل سطح قناة ذو شحنة سطحية منخفضة لتعزيز تأثير ضبط الجهد بواسطة قطب البوابة. وهذا بدوره يزيد من القدرة على ضبط البيئة الأيونية والكهروستاتيكية في القناة مكانيًا وزمنيًا.

• 
  ترانزستور تأثير المجال النانوي السائل
• 
  ترانزستور ثنائي القطب نانوفلويدي ^{[ 15 ]}

من خلال إدخال تأثير مجال غير متماثل على طول القناة النانوية، يصبح من الممكن تصنيع ثنائي نانوي سائل قابل لإعادة التشكيل بتأثير المجال ^{[ 16 ]} ، والذي يتميز بإمكانية إعادة تشكيل وظائف الثنائي بعد التصنيع، مثل اتجاهي المرور الأمامي والعكسي ودرجات التقويم. على عكس ترانزستور تأثير المجال النانوي السائل، حيث يتم تنظيم كمية الأيونات/الجزيئات فقط بواسطة جهد كهرساكن، يمكن استخدام الثنائي القابل لإعادة التشكيل بتأثير المجال للتحكم في كل من اتجاهات وكميات نقل الأيونات/الجزيئات. يمكن اعتبار هذا الجهاز بمثابة اللبنات الأساسية لنظيره الأيوني لمصفوفة البوابات الإلكترونية القابلة للبرمجة بالمجال.

يمكن تصنيع الترانزستورات ثنائية القطب الأيونية من قناتين مخروطيتين بفتحة صغيرة جدًا على المستوى النانوي. وبإضافة شحنات سطحية متعاكسة على كل جانب، يُمكنها تقويم التيار الأيوني كما يفعل الصمام الثنائي الأيوني. يُبنى الترانزستور ثنائي القطب الأيوني بدمج صمامين ثنائيين أيونيين وتكوين وصلة PNP على طول السطح الداخلي للقناة. وبينما يسري التيار الأيوني من طرف الباعث إلى طرف المجمع، يُمكن تعديل شدة التيار بواسطة قطب القاعدة. يُمكن تعديل الشحنة السطحية على جدار القناة باستخدام طرق كيميائية، عن طريق تغيير تركيز الإلكتروليت أو قيمة الرقم الهيدروجيني.

الصمام الثلاثي النانوي المائع هو جهاز نانوي مائع ثلاثي الأطراف ذو وصلة مزدوجة، يتكون من قنوات نانوية من الألومينا موجبة الشحنة والسيليكا سالبة الشحنة. ^{[ 17 ]} وهو في الأساس ترانزستور ثنائي القطب ثلاثي الأطراف. ومن خلال التحكم في الجهد الكهربائي بين طرفي الباعث والمجمع، يمكن تنظيم تيار الأيونات من طرف القاعدة إلى أحد الطرفين الآخرين، ليعمل كمفتاح أيوني أحادي القطب ثنائي الاتجاه.

عند وجود شحنات سطحية على جدار قناة ذات عرض ميكرومتري، تنجذب الأيونات المضادة وتتنافر الأيونات المتشابهة بفعل القوة الكهروستاتيكية. تُشكّل الأيونات المضادة منطقة عازلة بالقرب من الجدار. تخترق هذه المنطقة المحلول لمسافة معينة تُسمى طول ديباي، إلى أن يتلاشى الجهد الكهربائي ليصل إلى قيمة التعادل الكهربائي. يتراوح طول ديباي عادةً بين 1  نانومتر و100  نانومتر في المحاليل المائية.

في القنوات النانوية، يكون طول ديباي عادةً مماثلاً لعرض القناة، ولذلك يكون المحلول داخل القناة مشحوناً. لم تعد الأيونات داخل السائل محمية من الشحنة السطحية، بل تؤثر الشحنة السطحية على ديناميكيات الأيونات داخل القناة النانوية.

• 
  قناة ميكروفلويدية، متعادلة كهربائياً داخل القناة ^{[ 18 ]}
• 
  قناة نانوية سائلة، مشحونة كهربائياً داخل القناة

يتطلب الأمر قناة ضيقة وطويلة لتحقيق انتقائية جيدة. بعبارة أخرى، تتمتع القناة ذات النسبة العالية بين الطول والعرض بانتقائية أفضل. ولزيادة انتقائيتها، يلزم وجود جدار مشحون بشحنة عالية. ^{[ 7 ]}

يرتبط أداء الانتقائية الأيونية ارتباطًا وثيقًا بالجهد المطبق. فعند تطبيق جهد منخفض، تُلاحظ انتقائية عالية. ومع زيادة جهد الانحياز، يقلّ الانتقائية بشكل ملحوظ. بالنسبة للقنوات النانوية ذات نسبة العرض إلى الطول المنخفضة، يُمكن تحقيق انتقائية عالية عند تطبيق جهد انحياز منخفض.

• 
  يؤدي طول القناة وانخفاض جهد الانحياز إلى انتقائية عالية
• 
  يؤدي قصر القناة وارتفاع جهد الانحياز إلى انخفاض الانتقائية

تتضمن إحدى الطرق الشائعة للتصنيع من الأعلى إلى الأسفل استخدام الطباعة الضوئية لتحديد هندسة القنوات على رقاقة السيليكون. تُنشأ هذه الهندسة عبر عدة خطوات من ترسيب الأغشية الرقيقة والحفر لتشكيل الأخاديد. ثم تُربط رقاقة السيليكون برقاقة أخرى لإغلاق الأخاديد وتشكيل القنوات. تشمل التقنيات الأخرى لتصنيع القنوات النانوية التصنيع الدقيق السطحي باستخدام طبقات قابلة للتضحية، والطباعة النانوية، والطباعة اللينة.

تُعدّ الطبقات الأحادية ذاتية التجميع (SAM) الطريقة الأكثر شيوعًا في التصنيع من الأسفل إلى الأعلى . وتعتمد هذه الطريقة عادةً على استخدام مواد بيولوجية لتشكيل طبقة أحادية جزيئية على الركيزة. كما يُمكن تصنيع القنوات النانوية من خلال نمو أنابيب الكربون النانوية (CNT) والأسلاك الكمومية. تُنتج طرق التصنيع من الأسفل إلى الأعلى عادةً أشكالًا محددة بدقة ذات طول مميز يبلغ بضعة نانومترات. ولضمان استخدام هذه الهياكل كأجهزة نانوية سائلة، يُصبح الربط بين القنوات النانوية وأنظمة الموائع الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية.

توجد عدة طرق لتغطية السطح الداخلي بشحنات محددة. يمكن استخدام تقنية التشكيل المحدود بالانتشار لأن المحلول لا يخترق مدخل القناة النانوية إلا ضمن مسافة معينة، وذلك لأن سرعة الانتشار تختلف باختلاف المتفاعلات. من خلال إدخال عدة مراحل من المتفاعلات المتدفقة إلى القناة النانوية، يصبح من الممكن تشكيل السطح بشحنات سطحية مختلفة داخل القناة. ^{[ 20 ]}