Dispositivos nanofluídicos versátiles a "cielo abierto" integrando microfluídica en papel

MERCURI, MAGALÍ; GIMENEZ, ROCÍO; BERLI, CLAUDIO L. A.; BELLINO, MARTÍN G.

Congreso; XVIII Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados; 2018

Actualmente, el movimiento autónomo de fluidos explotando fuerzas capilares constituye una herramienta sumamente interesante para movilizar líquidos en micro y nanodispositivos. En este sentido, la imbibición espontánea de los fluidos en películas mesoporosas a partir del depósito de gotas sobre su superficie [1,2] constituye una ruta novedosa hacia el desarrollo de sistemas nanofluídicos miniaturizados basados en modos de operación sencillos y autónomos. Paralelamente, la microfluídica basada en papel ha protagonizado un crecimiento sostenido en los últimos años, ofreciendo ventajas como bajo costo, portabilidad y compatibilidad con reacciones (bio)químicas variadas. En este trabajo, se combinaron las cualidades de la microfluídica en papel con las propiedades nanofluídicas de las películas mesoporosas para desarrollar un sistema híbrido micro-nanofluídico donde el papel actúa como la interfaz entre la nanofluídica y el mundo macroscópico, permitiendo el acceso y control a las diferentes funciones requeridas [3]. Se sintetizaron películas mesoporosas de TiO2 y SiO2 (~180nm de espesor; ~6 y ~4nm de tamaño de poro y cuello, respectivamente) mediante la técnica sol gel combinada con el proceso de autoensamblado inducido por evaporación y se fabricaron sistemas microfluídicos recortando geometrías variadas en papel Whatman Nro. 1; los cuales se colocaron directamente sobre las películas delgadas. Se logró generar frentes de imbibición moldeados en la matriz mesoporosa de acuerdo a la geometría diseñada en papel que fue embebido con el fluido. A partir de estos resultados, se avanzó hacia la localización de reacciones químicas con geometrías variadas, como la síntesis de nanopartículas de oro o la precipitación de AgCl, enfrentando a distancias milimétricas reservorios embebidos con los reactivos correspondientes (HAuCl4 0,1M y NaBH4 1M; AgNO3 0,1M y NaCl 1M, respectivamente). Seguidamente, con la finalidad de demostrar la selectividad por tamaño del sistema híbrido, se preparó una solución conteniendo AgNO3 0,1M y nanopartículas de Fe3O4 (tamaño promedio de clusters: 35nm) y se embebió en un reservorio de papel que estaba colocado sobre una película mesoporosa. El fluido generó un frente de imbibición alrededor del reservorio donde se detectó por EDS la presencia de Ag, mientras que se detectó Fe únicamente en la zona del reservorio. Estos resultados señalan que los clusters de nanopartículas de mayor tamaño fueron excluidos de la matriz mesoporosa, la cual permitió el transporte selectivo de las especies iónicas de la solución. Finalmente, se demostró la factibilidad del sistema para controlar la concentración de solutos en la matriz porosa. Para ello, se recortó una tira de papel en forma de "Y" donde se colocaron agua (pH 7) y NaOH (pH 14) en cada una de las ramas. Se apoyó el papel sobre una película mesoporosa y se enfrentó el extremo saliente de la "Y" con un reservorio embebido en AgNO3. De esta manera, el gradiente de pH generado por co-flujo en el papel, se trasladó a la matriz mesoporosa y se evidenció a través de la precipitación gradual de Ag2O, más intensa en la región de pH 14 y nula en el extremo correspondiente al agua (Ag2O precipita a partir de pH 12). Estos resultados demostraron la versatilidad del sistema híbrido micro-nanofluídico a partir de la acción sinérgica del transporte de fluidos en dos escalas, para el desarrollo de dispositivos personalizados y de bajo costo para múltiples aplicaciones.