Control nanoelectromecánico de caudal en sistemas nanofluídicos abiertos

Resumo

El transporte espontáneo de líquido sobre estructuras naturales como, las telarañas o las espinas de un cactus, ha inspirado la investigación con sistemas nanofluídicos abiertos basados en dispositivos unidimensionales (1D) donde el líquido circula por la superficie externa totalmente expuesta al entorno de forma espontánea (fuerzas de capilaridad, gradientes de mojabilidad) o por la actuación eléctrica externa (fuerzas electrohidrodinámicas o electrocinéticas). La manipulación de líquido en una configuración abierta da lugar a dispositivos con funcionalidades singulares como, el acceso al fluido, localización/transferencia/extracción de muestras de líquido y la interacción in situ con entidades biológicas, como proteínas y otras biomoléculas dentro de su medio fisiológico. Las tecnologías fluídicas emplean dispositivos funcionales para el desarrollo de aplicaciones y métodos con alto impacto en áreas como, la impresión, el control localizado de reacciones químicas y procesos biológicos, la biopsia líquida y el control de caudal. El control de flujo es un parámetro crítico que se ha abordado en diversos trabajos con nanoestructuras con alta relación de aspecto como, nanohilos y fibras formadas por nanotubos. Sin embargo, el estado del arte se basa en la estimación de volúmenes mediante tratamientos de imágenes, con precisiones reducidas que no permiten explotar todo el potencial de los sistemas nanofluídicos abiertos. Por otra parte, los sensores nanomecánicos basados en resonadores con modos flexurales de vibración han demostrado previamente resultados prometedores en trabajos relacionados con la detección de alto rendimiento de bioanalitos en líquido, la caracterización de procesos de evaporación y mojado y, la manipulación de líquido. Por tanto, esta tesis integra de forma innovadora, resonadores nanomecánicos con sistemas nanofluídicos abiertos, para la cuantificación y control sin precedentes de caudal inducido por actuación eléctrica externa. El dispositivo micropalanca-nanohilo (MCNW, siglas en inglés de Microcantilever-Nanowire) consiste en un nanohilo de silicio integrado en el extremo libre de una micropalanca empleando métodos Bottom-up de fabricación basados en el mecanismo de crecimiento epitaxial VLS (Vapor-Líquido-Sólido). La resonancia de frecuencia de la micropalanca es monitorizada en tiempo real con un sistema de lectura basado el método óptico de deflexión del haz. La inmersión parcial del nanohilo en una microgota-reservorio de líquido iónico (IL) y la aplicación de voltajes de polarización inducen una transferencia de líquido en la superficie externa del nanohilo produciendo un cambio en la frecuencia del dispositivo que es asociado al caudal másico. Los ILs son sales fundidas con alta estabilidad electroquímica y baja presión de vapor, por lo que no se evaporan en alto vacío ni a presiones atmosféricas, permitiendo de esta manera, medidas estables de flujo. La actuación eléctrica y la detección nanomecánica de flujo con alta precisión hace posible: i) el control nanoelectromecánico de caudal en la nanoescala ii) la caracterización de distintos regímenes de flujo compatibles con la transición inducida eléctricamente de un régimen de mojabilidad estática a un régimen dinámico de spreading y, regímenes provocados por procesos electroquímicos, iii) la implementación de dos modos de operación para la acumulación de grandes volúmenes o la manipulación iterativa de masas de líquido extremadamente reducidas, y finalmente, iv) la escalabilidad del comportamiento del dispositivo MCNW