Geometrie und Umgebung bestimmen, wie ein einzelnes geladenes Nanopartikel elektrostatisch eingefangen und fixiert werden kann. Eine neue Studie des Paul Scherrer Instituts PSI zeigt den Weg, wie und welche Parameter diesen Prozess in einem in einem nanofluidischen Gerät entscheidend beeinflussen. Mit Hilfe numerischer Simulationen gelang es, ein effizientes Instrument zur Entwicklung nanofluidischer Geräte mit besserer Bindung solcher Nanopartikel zu erntwickeln.
Optimierung von Nanofluidik-Bauteilen für das Fixieren von Nanopartikeln
Untersuchungen einzelner Partikel spielen eine wichtige Rolle für das Verständnis ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften. Elektrostatisches Trapping ist eine solche robuste Methode, die ein kontaktfreies Einzel-Nanopartikel-Trapping mit hohem Durchsatz in einer wässrigen Umgebung in einem nanofluidischen Gerät ermöglicht. Es ist jedoch ein mühsamer Prozess, eine optimale Designlösung für ein robusteres Single Particle Trapping für unterschiedliche Partikel zu finden. Diese Arbeit von Deepika Sharma, Yasin Ekinci und weiteren Forschern am PSI-Labor für Mikro- und Nnaotechnologie (LMN) stellt alle entscheidenden geometrischen Parameter vor, die für die Abstimmung der Einfang-Effizienz des Geräts erforderlich sind, sowie deren Auswirkungen. Darüber hinaus ermöglicht die Arbeit die schnelle Identifizierung und Optimierung des Designs von Nanofluidik-Geräten für einen stärkeren Einzelpartikel-Einschluss mithilfe numerischer Simulationen, wodurch die für die Geräteoptimierung erforderliche erhebliche experimentelle Zeit eingespart werden kann.
Eine bessere Nanopartikel-Falle durch optimales Zusammenspiel von Geometrie und Nanofluidik
Das Einfangen von Nanopartikeln in einem nanofluidischen Gerät unter Verwendung einer geometrisch induzierten elektrostatischen (GIE) Potentialfalle ist eine effiziente und robuste Methode, um den Einschluss von Nanoobjekten und Einzelpartikelstudien durchzuführen. Die GIE-Falle ist eine passive Methode, die sich allein auf die Geometrie des Geräts und die Wechselwirkung zwischen Gerät und Partikeloberfläche stützt. Daher hilft die Optimierung eines nanofluidischen Geräts auf der Grundlage der experimentellen Anforderungen, um ein steiferes Einfangen von Einzelpartikeln zu erreichen. Die Effizienz einer GIE-Falle wird durch die Verweilzeit und die Steifigkeit des Nanopartikels in einer potentiellen Falle definiert. Die vorliegende Studie gibt Aufschluss über alle entscheidenden Parameter, die die Effizienz des Geräts, die Steifigkeit des Partikeleinschlusses und die Verweilzeit der Partikel beeinflussen. Darüber hinaus werden die Trends der Partikeleinfangsteifigkeit als Funktion der entscheidenden Parameter dargestellt und zwei Varianten von Simulationen zur Abschätzung der Partikeleinfang-Effizienz demonstriert: (a) unter Verwendung geladener Partikel und (b) unter Verwendung der Punktladungsnäherung.
Veranschaulichung der Wirkungen einer diealen Punktladung und eines geladenen Partikels auf das Feld einer Partikelfalle. Bildquelle: PSI-LMN
Welche Ladung ist die richtige?
Simulationen mit geladenen Teilchen ergeben realistischere Werte in Bezug auf das Einfangen der Teilchen, während Simulationen mit Punktladungsnäherung ein schnellerer Ansatz sind, der Näherungswerte und eine Richtlinie für strengere Simulationen liefert. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen und sind der Schlüssel für zukünftige Entwicklungen in diesem Bereich, in dem eine Bauteilgeometrie sehr genau optimiert werden kann.
Originalveröffentlichung:
D. Sharma, R.Y.H. Lim, T. Pfohl and Y. Ekinci, «Optimization of Nanofluidic Devices for Geometry‐Induced Electrostatic Trapping», Part. Part. Syst. Charact. 2 (2021), DOI: https://doi.org/10.1002/ppsc.202000275