
Overzicht van dynamische grafeenoxidesortering: (a) Het systeem gebruikt elektronenstralen op siliciumnitridemembranen om elektrische veldpatronen te creëren die tegengestelde krachten op grafeenoxidebladen genereren. (b) Bartstoestand met grafeenoxidebladen in een oplossing. (c) Middelste stap met vellen getrokken naar het patroon door elektrosmotische stroom. (d) Laatste fase waarin vellen van verschillende grootte afgaan van het patroon met verschillende snelheden als gevolg van elektroforetische afstotingskrachten. Kleinere vellen bewegen sneller vanwege hun hogere oppervlakte-lading-massa-verhouding. Credit: Sasaki en Hoshino, 2025
Onderzoekers van de Nagoya University in Japan hebben een interface ontwikkeld die “virtuele sorteren nanomachines” creëert zonder de noodzaak om werkelijke apparaten te produceren.
Door elektronenstralen te projecteren op dunne siliciumnitridemembranen, genereerden ze programmeerbare elektrische velden die functioneren als microfluïdische apparaten – systemen die zeer kleine hoeveelheden vloeistoffen door microscopische kanalen verplaatsen. Hierdoor kunnen ze op elke gewenste locatie en tijd nanomaterialen verplaatsen en sorteren.
De bevindingen worden gepubliceerd in het tijdschrift Colloïden en oppervlakken A: Physicochemical and Engineering.
De wetenschappers gebruikten grafeenoxide (GO), een koolstofmateriaal slechts één atoom dik. De eigenschappen en cellulaire interacties variëren per plaatgrootte, waardoor methoden voor het sorteren van grootte belangrijk zijn. Traditionele methoden hebben complexe geprefabriceerde microfluïdische apparaten nodig met vaste structuren.
De nieuwe methode verwijdert deze beperking door tijdelijke, programmeerbare elektrische veldpatronen te creëren die direct kunnen worden verplaatst of opnieuw kunnen worden geconfigureerd. Dit maakt een precieze sorteren van GO-vellen mogelijk, die vervolgens verontreinigende stoffen, oplosmiddelen en biomoleculen kunnen vangen op basis van hun grootte-afhankelijke eigenschappen.
Wanneer elektrische veldpatronen worden geprojecteerd op een oplossing met GO -vellen, werken twee krachten tegelijkertijd maar in tegengestelde richtingen: een elektrosmotische stroom trekt de platen naar het patroon en duwt een elektroforetische afstoting ze weg. Deze beweging treedt op vanwege het verschil in de verhouding van oppervlaktelading tot massa tussen GO -vellen van verschillende grootte.
Kleinere go -vellen hebben minder totale lading, maar ze hebben ook aanzienlijk minder massa en volume. Dit geeft hen een hogere oppervlakte-lading-massa-verhouding, waardoor ze sneller bewegen wanneer ze worden afgestoten door het elektrische veld. De onderzoekers hebben de snelheden van GO-vellen van verschillende grootte gemeten (5-50 μm2) en ontdekte dat naarmate de plaatgrootte afneemt, de afstotingssnelheid evenredig toeneemt.
Hierdoor konden ze de vellen op maat op specifieke locaties scheiden en virtuele sorteernanomachines maken die op aanvraag verschijnen en geen complexe geprefabriceerde microfluïdische apparaten vereisen.
De onderzoekers konden de controle over de grafeenbladen verbeteren door de elektrische veldpatronen te wijzigen. Ze maakten bijvoorbeeld verschillende ringpatronen die periodiek veranderen om de scheiding van vellen van verschillende grootte te verbeteren en creëerden bewegende semi-cirkelpatronen om de vellen in verschillende richtingen in de oplossing te duwen.
“Dit onderzoek vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving in nanomateriaalverwerking”, Ph.D. Student en hoofdauteur Ken Sasaki merkte op. “In plaats van complexe microfluïdische apparaten te bouwen, kunnen we nu virtuele nanomachines programmeren die op aanvraag verschijnen en functioneren. Dit maakt materiaalvrije productie mogelijk waar mechanisch werk wordt uitgevoerd door programmeerbare krachtvelden.”
Professor Takayuki Hoshino van de afdeling Micro-Nano Mechanical Science and Engineering aan de Nagoya University benadrukte dat deze technologie een aanzienlijk potentieel heeft voor sanering van milieu- en gezondheidszorgtoepassingen.
“Als bijvoorbeeld een industriële lekkage optreedt, kan deze technologie worden ontwikkeld voor implementatie ter plaatse om GO-vellen te sorteren voor optimale verwijdering van verontreinigingen, in plaats van eerst materialen naar een faciliteit te transporteren,” legde hij uit.
Meer informatie:
Ken Sasaki et al, groottefractionering van grafeenoxidebladen door gelokaliseerde elektroforese van elektronenbundels, Colloïden en oppervlakken A: fysicochemische en technische aspecten (2025). Doi: 10.1016/j.colsurfa.2025.137056
Geboden door de Nagoya University