Do bombeamento de água radial ao unidirecional em zeta

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 2812 (2022) Citar este artigo

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As microbombas de propulsão química são sistemas sem fio promissores para conduzir fluxos de fluidos de forma autônoma para muitas aplicações. No entanto, muitos desses sistemas são ativados por combustíveis químicos nocivos, não podem operar em altas concentrações de sal ou têm dificuldade para controlar a direcionalidade do fluxo. Neste trabalho, relatamos uma microbomba de polímero auto-acionada alimentada a sal que pode acionar fluxos de fluidos radiais e unidirecionais. A microbomba é baseada no trocador de cátions Nafion, que produz gradientes químicos e campos elétricos locais capazes de desencadear fluxos eletrosmóticos interfaciais. O bombeamento unidirecional é previsto por simulações e alcançado experimentalmente pela nanoestruturação do Nafion em microarrays com uma modulação de ajuste fino dos potenciais zeta da superfície circundante. As microbombas Nafion funcionam em uma ampla gama de concentrações de sal, são reutilizáveis ​​e podem ser alimentadas por diferentes cátions de sal. Demonstramos que eles trabalham com o cádmio, comum contaminante da água, utilizando a própria captação desse íon como combustível para acionar o bombeamento de fluidos. Assim, este sistema tem potencial para estratégias de purificação de água eficientes e rápidas para remediação ambiental. As bombas Nafion unidirecionais também são promissoras para entrega efetiva de analito ou pré-concentração para ensaios de (bio)detecção.

Os fluxos interfaciais de fluidos difusio-osmóticos e/ou eletrosmóticos desencadeados por gradientes químicos autogerados são a base por trás dos micro/nanomotores ou nadadores movidos quimicamente. A intensa atividade neste campo fascinante nos últimos anos tem proporcionado demonstrações muito apelativas de nadadores multitarefas1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20. As contrapartes imobilizadas de micro/nanomotores são microbombas, compartilhando o mesmo princípio de funcionamento dos nadadores, mas conduzindo o fluxo do fluido circundante em vez de se autopropulsionar em um fluido em repouso21. Essas versões imobilizadas de motores também são especialmente adequadas para uma melhor sondagem experimental e compreensão dos mecanismos foréticos por trás dos nadadores21. As microbombas também são plataformas promissoras para muitas aplicações, como liberação em massa, transporte, acumulação e limpeza5,22; padronização de materiais em locais precisos23,24,25; ou em aplicações de detecção22,26,27.

Microbombas autoalimentadas de diferentes composições de materiais e princípios de funcionamento têm sido investigadas nos últimos anos. A maioria dos estudos se concentrou em bombas catalíticas bimetálicas ou semicondutoras/metálicas governadas por fluxos eletrosmóticos5,21,28,29,30,31,32,33,34. Outros tipos de bombas combinam materiais passivos com metais, semicondutores, sais sólidos, polímeros ou enzimas, ativando fluxos iônicos, difusio-osmóticos neutros ou convectivos orientados por densidade induzidos pelos gradientes de íons ou espécies neutras gerados na parte ativa do a bomba32,35,36,37,38,39. O bombeamento de fluido também foi alcançado apenas iluminando uma câmara microfluídica com luz ultravioleta, iniciando reações fotoquímicas na fase de solução que impulsiona fluxos por flutuabilidade de soluto (no fluido a granel) e difusão-osmose (nas paredes da câmara)27.

Muitas das bombas descritas acima são acionadas pela reação de decomposição do peróxido de hidrogênio (H2O2), que pode ser tóxica para algumas aplicações, especialmente no contexto biológico. Portanto, há sempre a necessidade de buscar combustíveis químicos mais inócuos ou novos mecanismos de reação para superar tais limitações. A utilização de motores ou bombas alimentadas por substratos enzimáticos é uma forma muito elegante de ampliar as aplicações na área biomédica9,10,37,38,39. Outra alternativa que utiliza combustíveis inócuos são as bombas autoalimentadas ou nadadores feitos de polímeros de troca iônica. Nesse contexto, foi relatada uma bomba baseada na imobilização de partículas de resinas de troca iônica em vidro com capacidade de desencadear fluxos eletrosmóticos com concentrações micromolares de sais40. No entanto, a maioria das aplicações de remediação biomédica e ambiental precisam operar em concentrações de sal mais altas.