De bombeo de agua radial a unidireccional en zeta - Soluciones Co., Ltd de Jiangsu Enigma

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 2812 (2022) Citar este artículo

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Las microbombas propulsadas químicamente son sistemas inalámbricos prometedores para impulsar flujos de fluidos de manera autónoma para muchas aplicaciones. Sin embargo, muchos de estos sistemas son activados por combustibles químicos nocivos, no pueden operar a altas concentraciones de sal o tienen dificultad para controlar la direccionalidad del flujo. En este trabajo, informamos sobre una microbomba de polímero autopropulsada alimentada por sal que puede desencadenar flujos de fluido tanto radiales como unidireccionales. La microbomba se basa en el intercambiador de cationes Nafion, que produce gradientes químicos y campos eléctricos locales capaces de desencadenar flujos electroosmóticos interfaciales. El bombeo unidireccional se predice mediante simulaciones y se logra experimentalmente mediante la nanoestructuración de Nafion en micromatrices con una modulación de ajuste fino de los potenciales zeta de la superficie circundante. Las microbombas Nafion funcionan en una amplia gama de concentraciones de sal, son reutilizables y pueden alimentarse con diferentes cationes de sal. Demostramos que funcionan con el cadmio, un contaminante común del agua, utilizando la propia captura de este ion como combustible para impulsar el bombeo de fluidos. Por lo tanto, este sistema tiene potencial para estrategias de purificación de agua eficientes y rápidas para la remediación ambiental. Las bombas Nafion unidireccionales también son prometedoras para la entrega o preconcentración efectiva de analitos para ensayos de (bio)detección.

Los flujos interfaciales de fluidos difusio-osmóticos o electroosmóticos desencadenados por gradientes químicos autogenerados son la base detrás de los micro/nanomotores o nadadores propulsados químicamente. La intensa actividad en este fascinante campo en los últimos años ha proporcionado demostraciones muy atractivas de nadadores polivalentes1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20. Las contrapartes inmovilizadas de los micro/nanomotores son microbombas, que comparten el mismo principio de funcionamiento de los nadadores, pero impulsan el flujo del fluido circundante en lugar de autopropulsarse en un fluido en reposo21. Estas versiones inmovilizadas de motores también son especialmente adecuadas para un mejor sondeo experimental y una mejor comprensión de los mecanismos foréticos detrás de los nadadores21. Las microbombas también son plataformas prometedoras para muchas aplicaciones, como liberación masiva, transporte, acumulación y limpieza5,22; patrones de material en ubicaciones precisas23,24,25; o en aplicaciones de detección22,26,27.

En los últimos años se han investigado microbombas autoalimentadas de diferente composición de materiales y principios de funcionamiento. La mayoría de los estudios se han centrado en bombas catalíticas bimetálicas o semiconductoras/metálicas gobernadas por flujos electroosmóticos5,21,28,29,30,31,32,33,34. Otro tipo de bombas han combinado materiales pasivos con metales, semiconductores, sales sólidas, polímeros o enzimas, activando flujos iónicos, difusio-osmóticos neutros o convectivos impulsados por densidad inducidos por los gradientes de iones o especies neutras generadas en la parte activa de la bomba32,35,36,37,38,39. El bombeo de fluidos también se ha logrado simplemente iluminando una cámara de microfluidos con luz ultravioleta, iniciando reacciones fotoquímicas en la fase de solución que impulsan los flujos por flotabilidad de solutos (en el fluido a granel) y difusión-ósmosis (en las paredes de la cámara)27.

Muchas de las bombas descritas anteriormente son activadas por la reacción de descomposición del peróxido de hidrógeno (H2O2), que puede ser tóxica para algunas aplicaciones, especialmente en el contexto biológico. Por lo tanto, siempre existe la necesidad de buscar combustibles químicos más inocuos o nuevos mecanismos de reacción para superar tales limitaciones. El uso de motores o bombas alimentados por sustratos enzimáticos es una forma muy elegante de ampliar aplicaciones en el campo biomédico9,10,37,38,39. Otra alternativa que utiliza combustibles inocuos son las bombas autopropulsadas o los nadadores fabricados con polímeros de intercambio iónico. En este contexto, se ha reportado una bomba basada en la inmovilización de partículas de resinas de intercambio iónico sobre vidrio con capacidad de desencadenar flujos electroosmóticos con concentraciones micromolares de sales40. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones de remediación ambiental y biomédica necesitan operar a concentraciones de sal más altas.

Otra característica deseable de las bombas autoalimentadas es controlar la direccionalidad del flujo. La gran mayoría de los estudios anteriores se han centrado en demostrar el bombeo de fluidos a través de flujos locales recirculados hacia y desde los parches activos. Pero lograr la unidireccionalidad del flujo de fluidos ampliará sus aplicaciones en el campo de la administración de fármacos, la biodetección o la remediación ambiental. Una estrategia inicial de originar flujos direccionales fue realizada por Hess y colaboradores con una membrana de bombeo tratando de imitar el transporte de analitos en biomembranas41. En ese trabajo, una membrana porosa recubierta en ambos lados con dos metales nobles diferentes podría inducir flujos electroosmóticos a través de los poros provocados por la descomposición del peróxido de hidrógeno en las capas metálicas cuando ambas capas metálicas estaban conectadas por un interruptor externo. Más tarde, el grupo de Sen y sus compañeros idearon un sistema de bombeo hecho de una serie de tiras catalíticas enzimáticas/metálicas que podían lograr flujos unidireccionales estableciendo un gradiente de combustible químico, en este caso de H2O2 con un gel empapado en H2O222. Sin embargo, sería deseable lograr un bombeo unidireccional autopropulsado sin la aplicación de gradientes externos (eléctricos, químicos o de presión). Recientemente, el mismo grupo ha logrado la autoorganización de los flujos de fluidos con un sistema de bombeo multienzimático42. En un contexto similar, Fischer y sus colaboradores idearon un sistema de bombeo de agua unidireccional utilizando una serie de pilares tridimensionales Janus de Au/TiO2 fotoquímicamente activos que actúan como paredes de bombeo43. Los pilares catalizan la reacción de división del agua bajo iluminación ultravioleta, lo que da lugar a flujos osmóticos locales a su alrededor. El efecto cooperativo de los flujos generados por una serie de pilares conduce a un flujo macroscópico unidireccional para una elección cuidadosa de la geometría y disposición de los pilares.

La escasez de estudios que informen la unidireccionalidad del flujo de fluido inalámbrico sin gradientes impuestos externamente podría tener sus raíces en las dificultades para combinar la disposición y el mecanismo de bombeo adecuados para lograr un efecto constructivo utilizando una serie de bombas. La unidireccionalidad del flujo de fluidos no se logra simplemente mediante una repetición periódica de estructuras activas. En cambio, se necesita un diseño geométrico adecuado y una nanoingeniería de superficie controlada de los materiales activos para mantener el movimiento del flujo de fluidos en una dirección.

Aquí, informamos sobre una microbomba autoactivada basada en Nafion que puede bombear fluido utilizando sales como combustible químico y puede nanoestructurarse para lograr un bombeo unidireccional. Nafion es un ionómero de ácido sulfónico perfluorado con capacidades de intercambio catiónico de alto rendimiento, además de otros atributos como una conductividad iónica muy alta, excelente estabilidad térmica y mecánica, biocompatibilidad y características antiincrustantes44. Aprovechamos las capacidades de intercambio iónico de Nafion44 para inducir flujos electroosmóticos tangenciales tanto radiales como unidireccionales en presencia de sales45,46,47,48. Para lograr el bombeo unidireccional de fluidos de largo alcance, una serie de microcintas de Nafion están modeladas con estrategias de nanofabricación altamente controlables. Estas tiras activas se integran, a su vez, en un arreglo de tiras contiguas con diferentes potenciales zeta (ζ). Por lo tanto, la novedad de este sistema de bombeo inalámbrico radica en el diseño de un sistema de alimentación de intercambio iónico integrado en una matriz nanofabricada con modulación de ajuste fino del potencial zeta que rodea al Nafion activo para controlar la dirección del flujo. Probamos el bombeo de fluidos en una amplia gama de concentraciones de sal que cubren más de cuatro órdenes de magnitud, desde el rango micromolar hasta el milimolar. También mostramos que estas bombas se pueden regenerar fácilmente para su reutilización casi sin pérdida de rendimiento. Más importante aún, demostramos que estas bombas pueden ser autopropulsadas utilizando diferentes cationes como combustible. En particular, mostramos que estas bombas Nafion pueden funcionar capturando de manera eficiente cationes de metales pesados como los iones de cadmio presentes en muestras de agua contaminada. Por lo tanto, estos sistemas podrían tener aplicaciones potenciales prometedoras en la remediación del agua, donde se podrían diseñar canales de microbombas en los que el agua contaminada sería impulsada por el propio contaminante, entregando agua purificada al final del canal de bombeo.

Este estudio también amplía la versatilidad del material Nafion desde las conocidas áreas de aplicación de la industria cloroalcalina, la tecnología de celdas de combustible44,49,50,51,52 o la tecnología de biosensores53,54 al atractivo campo de las redes inalámbricas de micro/nanofluidos y micro/nanomotores autopropulsados, promovidos por las estrategias logradas en Nafion nanopatterning.

Primero demostramos la capacidad de Nafion para activar el bombeo de fluidos en una configuración simple que activa flujos radiales. El diseño de la bomba consta de un disco de Nafion de 100 µm de diámetro y aproximadamente 600 nm de espesor rodeado por una región en la que Nafion se ha desactivado en su mayor parte. El material fresco de Nafion está en su forma protonada y la desactivación se logra mediante litografía por haz de electrones que corta los restos de Nafion −SO3− y disminuye su capacidad de intercambio iónico47.

La figura 1a esquematiza una sección transversal de la microbomba en estudio que representa el mecanismo de bombeo. El bombeo de fluidos se activa cuando el sistema Nafion modelado se sumerge en soluciones salinas acuosas debido al intercambio de protones por el catión salino, en este caso ejemplificado con soluciones acuosas de LiCl. En el dispositivo experimental, el flujo de fluido se sigue mediante el seguimiento del movimiento de las partículas trazadoras a base de poliestireno. Las figuras 1b y c muestran el comportamiento de movimiento típico de los trazadores coloidales cerca (b) y lejos (c) de la superficie, respectivamente. Las partículas cercanas a la superficie se mueven hacia el disco de Nafion, sin embargo, a medida que se acercan al borde del disco, su trayectoria se curva hacia arriba en la dirección perpendicular al disco y finalmente se curva hacia afuera del disco debido a la continuidad del fluido y la presencia de la pared superior de la celda. (Ver Película complementaria 1 y 2).

a (arriba) Imagen esquemática de la sección transversal de una microbomba Nafion, que ilustra el mecanismo de bombeo. El intercambio de iones genera un gradiente de concentración de iones (en verde) y un campo eléctrico (E) esquematizado por las líneas rojas, imitando los obtenidos de las simulaciones como se describe en la Figura complementaria 3. Las cargas en el Nafion desactivado ilustran la zeta negativa potencial de esta superficie (las cargas negativas en la interfaz activa de Nafion no se muestran por simplicidad). Las cargas positivas en la interfase líquida denotan los contraiones que serán movidos por la componente tangencial del campo eléctrico autogenerado de intercambio iónico, arrastrando un flujo de fluido (Vf) hacia el disco Nafion activo. Cerca del borde del disco, el flujo sube por la continuidad del fluido y finalmente se dobla hacia el exterior debido a la presencia de la pared superior. b, c Instantáneas de la vista superior de la bomba Nafion real tomadas a diferentes alturas sobre la superficie. Los trazadores de poliestireno arrastrados por el fluido se acercan a la estructura de Nafion como se muestra en la imagen capturada en un plano cerca de la superficie b y luego son levantados por el fluido y se alejan del parche de Nafion, como se muestra en la imagen tomada en un z- plano ubicado a 100 µm de la superficie c. d Velocidad radial promedio de los trazadores de poliestireno dispersos en 1,0 × 10−4 M de LiCl cerca de la superficie en función de la distancia radial y en diferentes tiempos de bombeo. Los datos de las diferentes curvas se han obtenido evaluando y promediando la trayectoria de más de 50 partículas de poliestireno. El área sombreada de color amarillento representa la presencia del disco Nafion desde el centro del disco (0 µm) hasta el borde (50 µm). e Evolución temporal de la velocidad radial máxima de los trazadores promediada sobre 25–50 trayectorias en presencia de soluciones acuosas que contienen diferentes cationes de sal. Las barras de error en las figuras representan la desviación estándar. Los datos de origen de d, e se proporcionan como un archivo de datos de origen.

La velocidad espacial y la evolución temporal del rendimiento de la bomba se evaluaron mediante el seguimiento de las velocidades radiales promedio de los trazadores de poliestireno dispersos en 1,0 × 10−4 M de LiCl en la región cercana a la superficie (Fig. 1b). En general, las partículas aumentan su velocidad radial cuando se acercan al disco, exhibiendo valores máximos a 60–80 µm del centro del disco (el radio del disco de Nafion es de 50 µm). Luego, la velocidad radial decae dentro de la región de Nafion porque las partículas son empujadas hacia arriba por el fluido o porque quedan retenidas en el disco cuando la velocidad del fluido no es lo suficientemente grande como para levantarlas, un fenómeno que es más probable que ocurra en general. veces. Se han detectado velocidades máximas del trazador de alrededor de 30 µm/s en tiempos muy cortos. Estos son valores elevados en comparación con los obtenidos con otras bombas catalíticas que combinan metales en soluciones de H2O230 o metales/semiconductores en agua31,32. La velocidad máxima fue disminuyendo a valores en torno a los 2 µm/s al llegar a la media hora de actuación. La bomba pudo seguir funcionando durante más de 45 minutos, lo que es notable teniendo en cuenta que la capa de Nafion tiene un grosor de solo 600 nm.

Las bombas de Nafion se pueden activar con diferentes sales como combustible, ya que Nafion puede intercambiar protones con diferentes cationes47 (Películas complementarias 3 y 4). De hecho, la Fig. 1e muestra comparativamente la evolución temporal de la velocidad de bombeo desencadenada con LiCl, NaCl y CdCl2 de la misma concentración (1,0 × 10−4 M) y con CdCl2 de la misma fuerza iónica que los cloruros de metales alcalinos (CdCl2 3,3 × 10−5M). Se han observado velocidades muy altas a tiempos más cortos siendo las obtenidas con los cationes divalentes las más altas y también las que decaen más bruscamente con el tiempo, especialmente la de 1,0 × 10−4 M de CdCl2.

El efecto de la concentración de sal en el rendimiento de la bomba también se evaluó experimentalmente en función de diferentes concentraciones de LiCl, como se muestra en la Fig. 2a complementaria. La velocidad radial del fluido de los trazadores exhibe un comportamiento no monótono; aumenta con la concentración de sal a concentraciones muy bajas de sales, pero luego comienza a disminuir a concentraciones más altas. El bombeo de fluidos persiste notablemente incluso a concentraciones de sal mM. Por lo tanto, estas bombas Nafion son muy prometedoras para aplicaciones, ya que pueden funcionar en una amplia gama de concentraciones de sal, en contraste con las bombas catalíticas.

Otra característica muy interesante de estas bombas es su reutilización después de la regeneración. La bomba Nafion fresca está en su forma protonada y, después de su uso con electrolitos de LiCl, la bomba se carga con iones Li+. La bomba de Nafion se regeneró a la forma protonada por inmersión en HCl 10−2 M durante 6 h. Luego, la bomba se reutilizó en LiCl 1,0 × 10−4 M. La figura complementaria 2b compara la velocidad radial de los trazadores en LiCl 1,0 × 10−4 M en una bomba recién preparada con la que se obtiene cuando se usa la misma bomba por segunda vez después de un paso de regeneración. El rendimiento de la bomba fue casi el mismo, con solo una ligera disminución en la velocidad después de la regeneración.

El mecanismo responsable del bombeo de fluidos se ilustra esquemáticamente en la Fig. 1a. El bombeo se origina en la capacidad de Nafion para intercambiar iones. Cuando una muestra de Nafion protonada se sumerge en un electrolito que contiene sal, como LiCl, los protones se liberan del Nafion y, a cambio, los iones de litio del electrolito se incorporan a la película de Nafion. Como consecuencia, se acumularon gradientes en la concentración de protones e iones de litio cerca de la interfase47. Estos gradientes generarán una corriente iónica regida por la ecuación de Nernst-Planck

donde los términos del lado derecho representan las contribuciones de difusión (debido al gradiente de concentración), migración (debido a un campo eléctrico E) y convección (debido a la velocidad del fluido v), respectivamente. Di y Ci representan el coeficiente de difusión y la concentración del ion i, zi es la valencia del ion, e es la carga elemental, \({k}_{B}\) es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. Este intercambio iónico no genera una corriente eléctrica neta \({{{{{{\bf{J}}}}}}}_{{{{{\bf{e}}}}}}}\). Por lo tanto, al imponer \(\it {{{{{{\bf{J}}}}}}_{{{{{{\rm{e}}}}}}}}=\mathop{\sum} \limits_{i}{z}_{i}e{{{{{{\bf{j}}}}}}}_{{{{{{\rm{i}}}}}}}\) = 0, se obtiene que un campo eléctrico

se acumula en presencia de gradientes de concentración para garantizar que no haya corriente eléctrica. La generación de un campo eléctrico de origen similar es el principio básico detrás de la difusioforesis iónica, sobre la cual operan muchos motores y bombas catalíticas. (El término convectivo generalmente es insignificante y en realidad no contribuye a la corriente de carga neta si el fluido es electroneutral. La electroneutralidad también produce un campo eléctrico cero si el coeficiente de difusión de los iones \({D}_{i}\) son todos lo mismo). Por lo tanto, un gradiente de concentración y un campo eléctrico se acumulan espontáneamente cerca de la interfaz debido a los coeficientes de difusión desiguales de los iones intercambiados, como lo demuestran estudios previos47,55. Entre las sales que contienen cloruros de metales alcalinos, se eligieron los iones de litio para los experimentos debido a su bajo coeficiente de difusión, lo que proporciona una mayor diferencia de coeficientes de difusión con respecto a los protones, lo que resulta en una mayor generación de campo eléctrico cerca de la interfaz.

Cuando se utiliza una capa continua de Nafion, los gradientes de concentración y el campo eléctrico son perpendiculares a la superficie y no generan ningún flujo de fluido. Para desencadenar el movimiento del fluido se necesita una componente tangencial del campo eléctrico. Esto se logra mediante la nanoestructuración de Nafion en parches, como el que se muestra en la Fig. 1a, que representa un disco de Nafion rodeado por Nafion desactivado. Para este parche finito de Nafion, el campo eléctrico seguirá apuntando hacia Nafion, pero ahora tendrá un componente paralelo a la superficie que, cuando esta superficie esté cargada, conducirá al flujo de fluido por difusión de iones múltiples47,55. En una solución multiion, la velocidad difusio-osmótica del fluido viene dada por55:

donde el primer término representa la contribución quimioosmótica y el segundo el término electroosmótico que es proporcional al campo eléctrico dado por la Ec. (2), siendo ζw el potencial zeta superficial y \(\varepsilon\) y \(\eta\) la permitividad y la viscosidad del fluido, respectivamente. Encontramos que la contribución electroosmótica es el término dominante47. En consecuencia, la dirección del flujo de fluido está dictada por el signo del potencial zeta de la superficie56. Medimos experimentalmente el potencial zeta de Nafion y desactivamos Nafion a partir del potencial/corriente de transmisión de superficies planas de estos materiales utilizando LiCl 1,0 × 10−4 M como electrolito y pH de 5,7. La región de Nafion es la que tiene el mayor potencial zeta negativo (−73 ± 3 mV). El Nafion desactivado exhibe un potencial zeta menos negativo (-37 ± 3 mV) con respecto al Nafion que se espera debido a la eliminación de grupos sulfónicos. Dado que el potencial zeta de la superficie (tanto Nafion desactivado como Nafion) es negativo, los flujos tangenciales de fluidos electroosmóticos y quimioosmóticos hacia el disco de Nafion se activan con la consiguiente formación de rollos de convección.

Este mecanismo ha sido verificado mediante simulaciones que imitan la configuración experimental. Los detalles de la implementación se explican en los métodos complementarios. La Figura complementaria 3 muestra la concentración de protones, el campo eléctrico y las líneas de flujo de fluido resultantes de la simulación de la bomba radial Nafion. La simulación muestra que el intercambio de protones por iones Li+ que tiene lugar en el disco de Nafion genera un gradiente de concentración y un campo eléctrico que apunta radialmente hacia el disco de Nafion. La componente tangencial de este campo eléctrico que actúa sobre los contraiones móviles positivos acumulados en la superficie de Nafion desactivado y cargado negativamente, arrastra el fluido hacia el disco de Nafion generando rollos de convección. La Figura complementaria 4 muestra el valor de la componente radial del campo eléctrico en función de la distancia radial, medida desde el centro del disco Nafion, que representa un pico fuerte en el borde del disco. Las simulaciones también muestran que esta componente tangencial del campo eléctrico es casi insensible al valor del potencial zeta del material que rodea al Nafion activo. El potencial zeta de la superficie marca el signo de la carga y distribución de contraiones móviles que se mueven en presencia del campo eléctrico tangencial, arrastrando el fluido. Las simulaciones también confirman que no hay flujo de fluido en ausencia de intercambio iónico y que hay bombeo incluso si los potenciales zeta de ambas superficies fueran los mismos.

La Figura 5 complementaria muestra el comportamiento obtenido en la simulación para la velocidad de bombeo en función de la concentración de sal. Si Nafion actúa como un sumidero puro de cationes, se espera que el campo eléctrico y la velocidad de bombeo aumenten con la concentración de sal hasta alcanzar un valor constante a altas concentraciones de sal (consulte las figuras complementarias 5a y b). De hecho, la ecuación. (2) ayuda a explicar este comportamiento y el hecho de que estas bombas aún pueden funcionar con altas concentraciones de sal, a diferencia de las bombas catalíticas. En las bombas catalíticas, la corriente y el campo eléctrico autogenerado están dictados por la concentración de combustible, típicamente peróxido de hidrógeno. La adición de sal aumenta la fuerza iónica y apantalla el campo eléctrico, reduciendo así la fuerza motriz y haciendo que este tipo de motores y bombas sean casi inoperativos a altas concentraciones de sal. Por el contrario, para las bombas de intercambio iónico, dado que la sal misma es el combustible, aumentar la concentración de sal aumentará el gradiente de concentración (el numerador en la Ec. (2)) y la fuerza iónica (el denominador) de manera similar, lo que lleva a un campo eléctrico y una velocidad de flujo correspondiente que se mantienen casi constantes para altas concentraciones de sal, como se observa en las simulaciones.

La disminución de la velocidad para altas concentraciones de sal (Fig. 2a complementaria), así como la disminución del rendimiento en el tiempo observado en los experimentos (Fig. 1 e), se debe a la capacidad limitada de protones de la capa delgada de Nafion utilizada. Se puede hacer una estimación simple de orden de magnitud para ilustrar este efecto. La capacidad de intercambio iónico de Nafion es de aproximadamente 4 × 103 moles de H+/m3 47, que para una película de Nafion de 0,6 µm de espesor produce 2,4 × 10−3 moles de H+/m2. La corriente de difusión media del catión Li+ en la interfaz Nafion obtenida en las simulaciones es de 3,8 × 10−6 mol/m2 s. Eso significa que después de aproximadamente 630 s, todos los protones se agotarán si el intercambio continúa a la tasa de estado estacionario. Presumiblemente, a medida que escasean los protones, la corriente de intercambio se hará más pequeña, reduciendo el campo eléctrico y la velocidad de la bomba. Dado que la corriente de intercambio es proporcional a la concentración de sal, este proceso de saturación ocurrirá más rápido para concentraciones de sal más altas. En consecuencia, debido a una saturación más rápida, la velocidad de bombeo se desvanecerá más rápido y en un tiempo fijo, se espera que la velocidad sea menor a medida que aumenta la concentración de sal.

Las simulaciones (ver la Fig. 6 complementaria) también muestran que el bombeo funciona con velocidades similares con diferentes cationes monovalentes como Li+, Na+, K+ y también con iones divalentes como Cd+2. En el caso del ion divalente, los 2H+ se intercambian por un Cd2+. Por tanto, la saturación se alcanzaría en tiempos más cortos, lo que explica la rápida caída de la velocidad de bombeo observada en los experimentos con Cd+2.

La Figura 8 complementaria muestra la verificación experimental de que se pueden sostener grandes velocidades de bombeo durante más tiempo aumentando el espesor de la capa de Nafion, ya que se retrasa su saturación. Por lo tanto, creemos que estas bombas poliméricas podrían tener la capacidad de operar a concentraciones de sales por encima del rango milimolar ajustando el grosor de la capa polimérica. El trabajo futuro se realizará para abordar específicamente este problema y los detalles del mecanismo de intercambio iónico que van más allá del alcance del presente documento, donde el objetivo era demostrar la viabilidad de utilizar el intercambio iónico para generar bombeo de fluidos y lograr un flujo unidireccional. fluir.

La estrategia más común para mantener el bombeo unidireccional de fluidos a largas distancias es repetir periódicamente la estructura básica que genera el movimiento del fluido. Sin embargo, en este caso, la combinación de tiras alternas de Nafion activo y desactivado no lograría un flujo unidireccional, ya que en su lugar se producirían múltiples rollos de convección. El campo eléctrico que apunta hacia la plataforma activa de Nafion junto con el potencial zeta de la superficie simétrica en ambos lados siempre dirigiría el flujo de fluido hacia los parches activos de Nafion, como se ilustra en la Fig. 2a. Para rectificar el movimiento del fluido en una dirección, es importante romper la simetría de carga superficial alrededor de Nafion. Una forma sencilla de lograrlo es agregar una tercera franja de un material con potencial ζ positivo. El campo eléctrico generado por el intercambio de iones en la almohadilla de Nafion que actúa en la región de potencial zeta positivo impulsaría un flujo electroosmótico que ahora apunta hacia afuera del parche de Nafion, redirigiendo el flujo de fluido a la siguiente unidad de bombeo de la matriz, como se ilustra en la Fig. 2b. Por tanto, repitiendo periódicamente una estructura básica formada por tiras alternas de Nafion desactivado (ζ negativo)/Nafion/superficie con ζ positivo, se podrían suprimir los rollos convectivos, consiguiendo el bombeo unidireccional deseado.

un esquema de una bomba hecha de tiras alternas de Nafion desactivado y activo, lo que lleva a la formación de múltiples rollos de convección a lo largo de la matriz modelada. b Esquema de diseño de una bomba basada en la repetición periódica de una unidad básica hecha de tiras alternas de Nafion desactivado (ζ negativo)/Nafion/Al2O3 (ζ positivo) que conduciría a un flujo de fluido unidireccional a lo largo de la superficie estampada. Se ha omitido la interfaz cargada en el Nafion para aligerar el contenido de la figura. Los parches de Al2O3 con ζ positivo acumulan contraiones negativos que en presencia de la componente tangencial del campo eléctrico generado por el intercambio iónico se moverán también hacia la derecha, arrastrando el fluido a la siguiente unidad repetitiva, logrando un flujo unidireccional.

En consecuencia, hemos fabricado unidades de microbombas que constan de tres tiras adyacentes hechas de Nafion, Nafion y Al2O3 desactivados con 25, 25 y 30 µm de ancho, respectivamente, y 500 µm de largo (Fig. 3a). Estos elementos constituyen la unidad repetitiva en un arreglo modelado extendido en el espacio. El sistema de autobombeo se modeló utilizando litografía de haz de electrones estándar, evaporación de haz de electrones y revestimiento por rotación como se detalla en Métodos y Sección Experimental. El proceso también es compatible con la fotolitografía o el uso de litografía de esténcil. También se midió el potencial zeta de la alúmina a 1,0 × 10−4 M LiCl y pH de 5,7, comprobándose que tiene un valor positivo de 17 ± 2 mV. Como antes, el movimiento del fluido se sigue mediante el seguimiento del movimiento de trazadores de partículas de poliestireno en 1,0 × 10−4 M LiCl.

una matriz de tiras estampadas hechas a partir de la unidad repetitiva compuesta por Nafion desactivado (25 μm, ζ = −37 ± 3 mV)/Nafion (25 μm, ζ = −73 ± 3 mV)/Al2O3 (30 μm, ζ = 17 ± 2mV). b Trayectorias del trazador a lo largo de la superficie modelada que prueban el movimiento direccional (DN y N se refieren a Nafion y Nafion desactivados, respectivamente). c Velocidad tangencial promedio de los trazadores de poliestireno a lo largo de la estructura estampada. Las áreas sombreadas en azul, verde y rojo representan tiras desactivadas de Nafion, Nafion y Al2O3, respectivamente. Las barras de error en la figura representan la desviación estándar. Los datos de origen de b, c se proporcionan como un archivo de datos de origen.

La figura 3b muestra un conjunto de trayectorias de los trazadores de poliestireno cuando interactúan con la bomba estampada, lo que demuestra su movimiento unidireccional. La velocidad promedio de los trazadores a lo largo de la superficie estampada durante los primeros diez minutos de actuación se muestra en la Fig. 3c. En general, los trazadores se mueven con velocidades medias superiores a 3 µm/s, que pueden acelerarse en los límites de los diferentes materiales. El movimiento de los trazadores de partículas se puede observar en la Película complementaria 5.

También hemos diseñado otro conjunto de bombas reemplazando el Nafion desactivado con estructuras de SiO2. El óxido de silicio exhibe un potencial zeta más negativo que la estructura de Nafion desactivada con un valor de −66 ± 3 mV. La unidad de bombeo repetitivo consiste en este caso en tiras alternas de SiO2/Nafion/Al2O3 con dimensiones de 25, 25 y 30 µm de ancho, respectivamente, y 500 µm de largo (ver Fig. 4a). Se logró el flujo de fluido unidireccional, como se puede demostrar a partir de las trayectorias de los trazadores recopilados en la Fig. 4b y la Película complementaria 6. Hemos extraído la velocidad promedio a lo largo de la matriz modelada evaluando el movimiento de los trazadores durante los primeros diez minutos de la activación de la bomba. como se muestra en la Fig. 4c. Se ha logrado un rendimiento de bomba similar en comparación con Nafion/Nafion/Al2O3 desactivado con velocidades promedio superiores a 2 µm/s junto con picos de velocidad principalmente en los límites de SiO2/Nafion. Los experimentos de control en ausencia de sal muestran solo movimiento browniano en las partículas trazadoras (Película complementaria 7).

una matriz de tiras estampadas hechas de la unidad repetitiva compuesta por SiO2 (25 μm, ζ = −66 ± 3 mV)/Nafion (25 μm, ζ = −73 ± 3 mV)/Al2O3 (30 μm, ζ = 17 ± 2 mV). b Trayectorias del trazador a lo largo de la superficie modelada que prueban el movimiento direccional (N se refiere a Nafion). Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen. c Velocidad tangencial promedio de los trazadores a lo largo de las estructuras modeladas. Se han utilizado trazadores de poliestireno en 1,0 × 10−4 M LiCl para rastrear el flujo de fluido. Las áreas sombreadas en violeta, verde y rojo representan las tiras de SiO2, Nafion y Al2O3, respectivamente. Las barras de error en la figura representan la desviación estándar. Los datos de origen de b, c se proporcionan como un archivo de datos de origen.

Se fabricó otra configuración de bomba en forma de cruz utilizando cuatro matrices de estas tiras hechas de unidades repetitivas de SiO2/Nafion/Al2O3 como se muestra en la Fig. 9 complementaria. Este diseño sirve para demostrar que el fluido se puede redirigir simultáneamente en diferentes direcciones ortogonales, como se puede ver en la Película Suplementaria 8.

También hemos contrastado estos datos experimentales con simulaciones de elementos finitos. Los detalles de implementación se analizan en la Información complementaria. Se simuló un arreglo de microbombas de 5 unidades repetitivas, cada una de ellas compuesta por tiras alternas de SiO2/Nafion/Al2O3 con las mismas dimensiones de tira y potenciales zeta que en el experimento. El resto de parámetros se enumeran en la Tabla complementaria 1.

La Figura 5a muestra el valor de la componente horizontal de la velocidad de una partícula trazadora de poliestireno obtenida de las simulaciones a 3 µm por encima de la superficie. Las simulaciones revelan el movimiento neto del trazador a lo largo del conjunto de microbombas con velocidades promedio superiores a 2 µm/s y respaldan la generación de un flujo de fluido direccional. La velocidad tangencial presenta variaciones periódicas con grandes picos en los límites de SiO2/Nafion y pequeños picos en la interfase Nafion/Al2O3. Los resultados de esta simulación concuerdan cualitativamente con los datos experimentales que se muestran en la Fig. 4c. Una comparación cuantitativa directa es difícil de realizar ya que las partículas trazadoras no siguen una trayectoria de altura constante debido a la influencia de la gravedad, el movimiento browniano y la componente vertical de la velocidad. Los picos de velocidad coinciden con las regiones de gradientes químicos más altos, como se puede observar en el mapeo de pH de la Fig. 5b. El mapa de pH muestra un aumento de la concentración de protones justo por encima de Nafion debido al intercambio iónico que genera un fuerte gradiente químico en las tiras vecinas. Este gradiente genera un campo eléctrico (consulte la Fig. 7 complementaria) con una componente tangencial que es positiva (es decir, apunta hacia la derecha) en el límite SiO2/Nafion y negativa (es decir, apunta hacia la izquierda) en el límite Nafion/Al2O3 . Este campo eléctrico tangencial positivo que actúa sobre el SiO2 cargado negativamente y el campo eléctrico negativo que actúa sobre la superficie positiva de Al2O3 impulsan un flujo de fluido en la misma dirección (hacia la derecha).

a Componente horizontal de la velocidad esperada de una partícula trazadora de poliestireno a lo largo de la matriz de tiras compuesta por microbombas repetitivas de SiO2/Nafion/Al2O3. La velocidad del trazador se obtuvo de las simulaciones a 3 µm por encima de la superficie y se suavizó utilizando un promedio móvil de 5 µm. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen. b Mapeo de pH (escala de color) y líneas de corriente del flujo de fluido sobre las tres primeras repeticiones de la estructura periódica. Las líneas de corriente están coloreadas por el valor local de la velocidad del fluido e ilustran las variaciones de velocidad causadas por el bombeo local desencadenado por los parches de Nafion.

Las líneas de corriente del campo de velocidad del fluido resultante también se representan en la Fig. 5b, coloreadas por el módulo de la velocidad. La velocidad del fluido es grande y muestra fuertes variaciones de intensidad cerca de la superficie, como se puede observar en los cambios de color a lo largo de las líneas de corriente. El flujo se vuelve más lento y más uniforme a lo largo de la matriz a distancias z más altas, con velocidades promedio aún superiores a 1 µm/s a 50 µm por encima de la superficie.

Como prueba de concepto, hemos probado experimentalmente las capacidades de estas microbombas Nafion para eliminar Cd2+ de muestras de agua. Se sumergieron muestras de Nafion de 2 × 2 cm2 y 600 nm de espesor en 3 ml de una solución acuosa que contenía diferentes iones durante 45 min. Las concentraciones de iones iniciales y finales después de la interacción de Nafion se analizaron mediante espectrometría de emisión óptica con una fuente de excitación de plasma acoplada inductivamente (ICP-OES). La Tabla 1 muestra los cambios en la concentración de iones de diferentes muestras acuosas que contienen solo Cd2+ (a) o una mezcla de Cd2+ y Na+ (b y c). En el caso de la muestra (c) la concentración de Na es la típica que se encuentra en el agua potable.

Sorprendentemente, la bomba Nafion es bastante selectiva en la remoción de iones de cadmio y exhibe una muy buena eficiencia de remoción de más del 95% en tiempos muy cortos de operación con una capacidad de remoción de más de 78 mg de iones Cd por gr de Nafion, equivalente a 1200 moles de Cd2+/m3 y cerca de la capacidad nominal de intercambio iónico de Nafion. La selectividad de Nafion a los iones Cd2+, su reutilización y el potencial para trabajar en altas concentraciones de sal alientan más investigaciones para optimizar el diseño de estas bombas autopropulsadas unidireccionales para aplicaciones de descontaminación de agua. Estos estudios pueden ampliarse a otros iones multivalentes de interés en biomedicina o remediación ambiental.

En resumen, hemos introducido una microbomba de propulsión química basada en Nafion que se autoactiva por sus capacidades de intercambio iónico utilizando sales inocuas como combustible. El intercambio de iones con diferentes coeficientes de difusión genera un campo eléctrico que, al disponer adecuadamente el Nafion en parches, puede impulsar el flujo de fluido por electroósmosis. Hemos demostrado el bombeo de fluidos a alta velocidad que forma rollos de convección, pero también el bombeo unidireccional sobre la micro/nanoestructuración adecuada de Nafion mediante la modulación del potencial zeta de las tiras adyacentes. El flujo unidireccional se logra con un conjunto de microbombas modeladas con unidades repetitivas que consisten en tiras alternas de materiales con potencial zeta negativo (como Nafion o SiO2 desactivado), Nafion y materiales con potencial zeta positivo (p. ej., Al2O3). La interacción de la componente tangencial del campo eléctrico, generada por el intercambio de iones y apuntando siempre hacia Nafion, con el ajuste fino del potencial zeta de las tiras circundantes redirige el flujo de fluido a la siguiente unidad de microbomba de la matriz, logrando el flujo unidireccional deseado. Las simulaciones numéricas de estas bombas también respaldan los hallazgos experimentales. Como aplicación de prueba de concepto, hemos utilizado estas bombas Nafion para capturar de forma selectiva y eficiente los iones de cadmio de muestras de agua con la particularidad de que el bombeo es autoimpulsado por el propio ión contaminante.

Con este estudio, hemos demostrado la posibilidad de impulsar y guiar flujos de fluidos autosostenidos a microescala combinando el intercambio iónico con un micropatrón adecuado de superficies con potenciales zeta adecuados. A diferencia de otras bombas propulsadas químicamente, las bombas de intercambio iónico presentan una alta tolerancia a la sal, debido al hecho de que el apantallamiento del campo eléctrico causado por el aumento de la fuerza iónica también se equilibra con el aumento del campo eléctrico generado por el gradiente de concentración de sal. En particular, hemos encontrado que estas microbombas de Nafion pueden funcionar en una amplia gama de concentraciones de sal que cubren más de cuatro órdenes de magnitud, un resultado notable considerando la delgada capa de Nafion utilizada en este estudio. Además, se pueden regenerar fácilmente para su reutilización. Todas estas propiedades pueden volverse muy relevantes para optimizar muchas aplicaciones, como el transporte masivo y el modelado de materiales en ubicaciones precisas, (bio)detección, administración de fármacos o aplicaciones ambientales.

Nuestros resultados alientan a seguir trabajando en estos sistemas, ya que todavía hay mucho espacio para la optimización de dispositivos. Al ajustar las dimensiones de Nafion, es posible aumentar el tiempo de operación y extender su aplicabilidad a fluidos con concentraciones salinas más altas. Se podrían utilizar otras técnicas de litografía como la litografía de esténcil o la litografía basada en láseres de alta potencia con capacidad de corte. Estas son herramientas de fabricación más rápidas y dejarían menos residuos que podrían aumentar las velocidades de bombeo de fluidos. Además, los materiales plásticos rentables también se pueden utilizar como soporte de Nafion, que ya han demostrado una buena adherencia y versatilidad para la creación de patrones. La integración de Nafion con almohadillas metálicas adyacentes podría usarse para cambiar el potencial zeta circundante a voluntad en tiempo real a través de estímulos externos, de modo que el bombeo se pueda encender y apagar, o incluso cambiar entre diferentes direcciones. Todos estos ingredientes son muy prometedores para idear prototipos con practicidad y escalabilidad para aplicaciones reales.

Además, este estudio promete expandir la versatilidad del material Nafion desde áreas de aplicación bien conocidas (p. ej., celdas de combustible, biosensores, tecnologías de filtración/separación/purificación, nuevos recubrimientos antiincrustantes, etc.) al campo atractivo de micro/nanofluidos inalámbricos. redes o micro/nanomotores autopropulsados. Además, las estrategias logradas en Nafion nanopatterning abren la posibilidad de integrar Nafion con metales, aislantes y semiconductores en dispositivos nanofabricados. Todas estas capacidades pueden allanar el camino para explotar las notables propiedades de este polímero de intercambio iónico en innumerables aplicaciones novedosas.

Microbomba Nafion para la activación de flujos radiales

La fabricación de las microbombas de Nafion comenzó girando una dispersión de Nafion diluida (5%) en isopropanol a partir de una dispersión comercial de Nafion en forma protonada (Aldrich, 10% en agua, peso eq. 1100) sobre obleas de Si modificadas con una capa de Au de 50 nm. y seguido de un paso de calentamiento a 100 °C durante 5 min. El proceso de hilado se repitió para lograr espesores típicos de aproximadamente 600 nm medidos con un microscopio de fuerza atómica y un perfilómetro. Después de eso, la película de Nafion se sometió a litografía por haz de electrones para definir un disco de Nafion de 100 µm de diámetro. La litografía de haz de electrones modifica la composición de Nafion por la escisión de los restos −SO3− que producen una gran pérdida de sus capacidades de intercambio iónico47.

Microbomba Nafion para la activación de flujos unidireccionales

El proceso de fabricación comienza con el patrón de una matriz de tiras de oro en una oblea de SiO2 con dimensiones de tira de 50 nm de grosor, 50 µm de ancho y 500 µm de largo, y un paso de 80 µm. El patrón se realiza mediante litografía de haz de electrones estándar más evaporación de oro. Luego, la superficie se sometió a un proceso de plasma de oxígeno (400 W, 2 minutos) seguido del recubrimiento por rotación de una capa de Nafion de 600 nm de espesor en toda la superficie como se describió anteriormente. Aprovechando la buena adherencia de Nafion sobre Au, la muestra se sumergió en agua que elimina el Nafion de las partes de silicio, quedando la capa de Nafion solo en las tiras de oro. Se realizó un segundo paso litográfico para definir una matriz de tiras de Al2O3 adyacentes. La tira de alúmina se evaporó con una fuente de haz de electrones y tenía unas dimensiones de 30 µm de ancho, 500 µm de largo y 50 nm de espesor con un paso de 80 µm. Al hacer este segundo paso litográfico con la muestra que ya contenía Nafion, el revelado se hizo en metilisobutilcetona sin diluir en isopropanol y para el despegue se usó diclorometano en lugar de acetona para evitar la degradación del Nafion. Después de eso, un área de 25 µm de ancho x 500 µm de largo de la tira de oro/Nafion se sometió a una litografía de haz de electrones para desactivar Nafion y así obtener la unidad de bomba que consiste en tiras alternas de Nafion/Nafion/Al2O3 desactivados.

En el caso de la matriz de microbombas de SiO2/Nafion/Al2O3, el proceso de fabricación consistió en dos pasos litográficos. La primera fue definir los patrones de las tiras de Au pero en este caso con un ancho de 25 µm y manteniendo el resto de dimensiones iguales. Se siguió el mismo procedimiento mencionado anteriormente para definir las regiones de Nafion en las tiras de Au y las tiras de alúmina.

El potencial zeta de las superficies de Nafion, Nafion desactivado, Al2O3 y SiO2 se obtuvo a partir de la medición de corriente de flujo utilizando un analizador electrocinético (EKA, Anton Paar KG, Graz, Austria). Las muestras se prepararon en placas de policarbonato de 4 × 5 cm y 0,2 cm de espesor en las que Nafion también exhibe una muy buena adherencia y también es un sustrato compatible para la nanoestructuración de Nafion con litografía por haz de electrones. En todos los casos se ha utilizado una celda de pinzado comercial (Anton Paar) con una muestra de PMMA (dada por el fabricante) enfrentada a la muestra a medir. El sistema se hizo funcionar en forma de rampa de presión alterna de 0 a 300 mbar. Cada medición fue el promedio de 8 ciclos utilizando una solución electrolítica de LiCl 10−4 M en agua Millipore.

El potencial zeta se ha calculado utilizando la ecuación de Helmholtz-Smoluchowski:

donde ε y η son la permitividad y la viscosidad del electrolito, respectivamente; L y S son la longitud y la sección transversal del canal electrocinético y p e Istr son la presión y la diferencia de corriente de flujo entre ambos extremos del canal, respectivamente. El valor de L/S es el mismo para todas las medidas realizadas y ha sido calculado en un trabajo previo57: L/S = 24,5 ± 0,5 mm−1. En concreto, este valor se obtuvo experimentalmente midiendo los siete canales de la muestra de PMMA proporcionada por el fabricante, utilizando un perfilómetro óptico (Leica DCM8) para las medidas de sección, con una resolución de 12 µm en el eje Z y de 2,58 µm en el eje Z. eje XY, y un micrómetro (micrómetro electrónico Schut) para las medidas de longitud, con una precisión de 1 µm. Los valores teóricos proporcionados por el fabricante fueron: L = 20 mm, S = (1 × 0,14) × 7 mm2.

Debido a la asimetría de la celda utilizada, se ha aplicado la siguiente ecuación para obtener el potencial zeta de cada muestra:

donde ζPMMA se ha calculado con la ecuación. 4 utilizando la muestra de PMMA de referencia, y su valor es: −54 ± 3 mV.

La celda de fluido se instaló colocando un espaciador similar a una junta de 8 mm de diámetro y 0,3 mm de espesor en la parte superior de las bombas y luego se tapó con una cubierta de vidrio delgada. El flujo de fluido se siguió mediante el seguimiento del movimiento de partículas trazadoras de poliestireno de 2 µm de diámetro (ζ = −12 mV de Kisker Biotech GmbH & Co). También se usaron partículas de poliestireno modificadas con amidina (ζ = 46 mV, Invitrogen) para obtener la Fig. 1. Los valores de ζ de las partículas se obtuvieron con un Malvern ZetaSizer. Las partículas coloidales se dispersaron en diferentes concentraciones de sales de LiCl que iban desde 1,2x 10−6 M hasta 0,001 M. Se eligieron las sales de LiCl porque trabajos anteriores demostraron que se generaba un campo eléctrico más alto en la interfaz de Nafion cuando los protones se intercambian con iones Li+, debido a la mayor diferencia de valores del coeficiente de difusión entre protones y Li+. Antes de la evaluación del bombeo de fluidos con trazadores coloidales dispersos en sales de LiCl, los dispositivos de bombeo se humedecieron previamente en agua Milli-Q durante 30 min. La humectación previa con Nafion ayuda a protonar las fracciones de sulfonato y a minimizar el movimiento del fluido debido a la absorción de agua al inspeccionar el bombeo del fluido. La celda líquida se definió utilizando un espaciador de silicona (Secure-Seal™, Invitrogen) de 9 mm de diámetro y se tapó con un cubreobjetos. El movimiento de las partículas se registró ópticamente y se analizó con el software Diatrack para determinar su trayectoria y velocidad.

El análisis de la concentración de iones antes y después de interactuar con las bombas Nafion se realizó mediante espectrometría de emisión óptica con una fuente de excitación de plasma acoplada inductivamente (ICP-OES) Agilent, modelo 5900. Las soluciones acuosas fueron previamente acidificadas con HNO3 (1% v/v) antes de ser inyectado, preparando en paralelo el correspondiente blanco (HNO3 1%) y las soluciones estándar para el proceso de calibración. Las concentraciones de las soluciones estándar tanto de Na+ como de Cd2+ fueron 0.02, 0.1, 0.25, 1, 2.5 y 5 ppm, todas ellas en 1% de HNO3.

Todos los datos necesarios para evaluar las conclusiones del documento están presentes en el documento y/o en la Información complementaria. Los datos fuente subyacentes a las Figs. 1d, e, 3b, c, 4b, c, 5a, Figura complementaria 2a y b, Figura complementaria 4, Figura complementaria 5a y b, Figura complementaria 6a y b, Figura complementaria 7, Figura complementaria 8 y Las figuras complementarias 9b y c se proporcionan en el archivo de datos de origen. Los datos de origen se proporcionan con este documento.

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Esta investigación fue apoyada por el Ministerio de Economía y Competitividad de España (MINECO) bajo el Contrato No. FIS2015-67837, y PGC2018-095032-B-100. Gracias también al proyecto RTI2018-096862-B-I00, apoyado por MCIN/ AEI /10.13039/501100011033/ FEDER "Una manera de hacer Europa" y a las subvenciones TE-0033-19, GR21119 e IB20092 de la Junta de Extremadura- FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional). El ICN2 está financiado por el programa CERCA/Generalitat de Catalunya. El ICN2 cuenta con el apoyo del programa Severo Ochoa del MINECO (Beca SEV-2017-0706). También reconocemos el intercambio científico y el apoyo del Centro de Ciencias Moleculares del Agua (CMWS).

Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), CSIC y BIST, Campus UAB, Bellaterra, 08193, Barcelona, España

María J. Esplandiu & Jordi Fraxedas

Departamento de Física de la Materia Condensada, Universidad de Barcelona, C/Martí i Franquès 1, 08028, Barcelona, Spain

David Reguera

Universidad de Barcelona, Institute of Complex Systems (UBICS), C/Martí i Franquès 1, 08028, Barcelona, Spain

David Reguera

Universidad de Extremadura, Departamento de Física Aplicada e Instituto Universitario de Investigaciones Biomédicas (INUBE), Badajoz, España

Daniel Romero-Guzmán & Amparo M. Gallardo-Moreno

Centro de Investigación en Red sobre Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN), Badajoz, España

Daniel Romero-Guzmán & Amparo M. Gallardo-Moreno

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MJE, DR y JF concibieron el trabajo. MJE y DR diseñaron los experimentos. MJE realizó los experimentos y analizó los datos. DR realizó simulaciones numéricas. AGR y DRG realizaron las mediciones de potencial zeta de superficies planas. Todos los autores discutieron los resultados y escribieron el manuscrito.

Correspondence to María J. Esplandiu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

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Reimpresiones y permisos

Esplandiu, MJ, Reguera, D., Romero-Guzmán, D. et al. Del bombeo de agua radial al unidireccional en nanoestructuras de Nafion moduladas en potencial zeta. Nat Comun 13, 2812 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30554-7

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Recibido: 04 Agosto 2021

Aceptado: 25 de abril de 2022

Publicado: 19 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30554-7

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