Du pompage d'eau radial au pompage unidirectionnel en zêta

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2812 (2022) Citer cet article

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Les micropompes à propulsion chimique sont des systèmes sans fil prometteurs pour piloter de manière autonome les flux de fluides pour de nombreuses applications. Cependant, bon nombre de ces systèmes sont activés par des combustibles chimiques nocifs, ne peuvent pas fonctionner à des concentrations élevées de sel ou ont des difficultés à contrôler la directionnalité du flux. Dans ce travail, nous rapportons une micropompe polymère auto-entraînée alimentée par du sel qui peut déclencher des écoulements de fluide radiaux et unidirectionnels. La micropompe est basée sur l'échangeur de cations Nafion, qui produit des gradients chimiques et des champs électriques locaux capables de déclencher des flux électroosmotiques interfaciaux. Le pompage unidirectionnel est prédit par des simulations et réalisé expérimentalement en nanostructurant Nafion en microréseaux avec une modulation fine des potentiels zêta de surface environnants. Les micropompes Nafion fonctionnent dans une large gamme de concentrations de sel, sont réutilisables et peuvent être alimentées par différents cations de sel. Nous démontrons qu'ils fonctionnent avec le cadmium, un contaminant commun de l'eau, en utilisant la propre capture de cet ion comme carburant pour entraîner le pompage des fluides. Ainsi, ce système a un potentiel pour des stratégies de purification d'eau efficaces et rapides pour l'assainissement de l'environnement. Les pompes Nafion unidirectionnelles sont également prometteuses pour une distribution ou une préconcentration efficace des analytes pour les tests de (bio)détection.

Les flux de fluides interfaciaux diffusio-osmotiques ou/et électroosmotiques déclenchés par des gradients chimiques auto-générés sont à la base des micro/nanomoteurs ou nageurs propulsés chimiquement. L'activité intense dans ce domaine fascinant au cours des dernières années a fourni des démonstrations très attrayantes de nageurs multitâches1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16, 17,18,19,20. Les homologues immobilisés des micro/nanomoteurs sont des micropompes, partageant le même principe de fonctionnement que les nageurs, mais entraînant l'écoulement du fluide environnant au lieu de s'autopropulser dans un fluide au repos21. Ces versions immobilisées de moteurs sont également particulièrement adaptées pour mieux sonder expérimentalement et comprendre les mécanismes phorétiques derrière les nageurs21. Les micropompes sont également des plates-formes prometteuses pour de nombreuses applications telles que la libération de masse, le transport, l'accumulation et le dégagement5,22 ; modelage des matériaux à des emplacements précis23,24,25 ; ou dans des applications de détection22,26,27.

Des micropompes auto-alimentées de différentes compositions de matériaux et principes de fonctionnement ont été étudiées ces dernières années. La plupart des études se sont concentrées sur les pompes catalytiques bimétalliques ou semi-conducteurs/métalliques régies par des flux électroosmotiques5,21,28,29,30,31,32,33,34. D'autres types de pompes ont combiné des matériaux passifs avec des métaux, des semi-conducteurs, des sels solides, des polymères ou des enzymes, activant des flux ioniques, diffusio-osmotiques neutres ou convectifs induits par la densité induits par les gradients d'ions ou d'espèces neutres générés à la partie active de la pompe32,35,36,37,38,39. Le pompage de fluide a également été réalisé en éclairant simplement une chambre microfluidique avec de la lumière UV, en initiant des réactions photochimiques dans la phase de solution qui entraînent des flux par flottabilité du soluté (dans le fluide en vrac) et diffusion-osmose (aux parois de la chambre)27.

Bon nombre des pompes décrites ci-dessus sont déclenchées par la réaction de décomposition du peroxyde d'hydrogène (H2O2) qui peut être toxique pour certaines applications, en particulier dans le contexte biologique. Par conséquent, il est toujours nécessaire de rechercher des carburants chimiques plus inoffensifs ou de nouveaux mécanismes de réaction pour surmonter ces limitations. L'utilisation de moteurs ou de pompes alimentés par des substrats enzymatiques est une manière très élégante d'élargir les applications dans le domaine biomédical9,10,37,38,39. Une autre alternative utilisant des carburants inoffensifs sont les pompes auto-alimentées ou les nageurs en polymères échangeurs d'ions. Dans ce contexte, une pompe basée sur l'immobilisation de particules de résines échangeuses d'ions sur du verre avec la capacité de déclencher des flux électroosmotiques avec des concentrations salines micromolaires a été rapportée40. Cependant, la plupart des applications d'assainissement biomédical et environnemental doivent fonctionner à des concentrations de sel plus élevées.

Une autre caractéristique souhaitable des pompes auto-alimentées est de contrôler la directionnalité du débit. La grande majorité des études précédentes se sont concentrées sur la démonstration du pompage de fluide à travers des flux locaux recirculés vers et loin des zones actives. Mais la réalisation de l'unidirectionnalité de l'écoulement des fluides élargira leurs applications dans le domaine de l'administration de médicaments, de la biodétection ou de l'assainissement de l'environnement. Une première stratégie d'origine des flux directionnels a été réalisée par Hess et ses collaborateurs avec une membrane de pompage essayant d'imiter le transport des analytes dans les biomembranes41. Dans ce travail, une membrane poreuse revêtue des deux côtés de deux métaux nobles différents pouvait induire des flux électroosmotiques à travers les pores déclenchés par la décomposition du peroxyde d'hydrogène au niveau des couches métalliques lorsque les deux couches métalliques étaient connectées par un interrupteur externe. Plus tard, le groupe de Sen et ses collègues ont mis au point un système de pompage composé d'un ensemble de bandes catalytiques métalliques/enzymatiques qui pourraient réaliser des flux unidirectionnels en établissant un gradient de carburant chimique, dans ce cas de H2O2 avec un gel imbibé de H2O222. Cependant, il serait souhaitable de réaliser un pompage unidirectionnel auto-entraîné sans l'application de gradients externes (électriques, chimiques ou de pression). Récemment, le même groupe a réalisé l'auto-organisation des flux de fluides avec un système de pompe multienzymatique42. Dans un contexte similaire, Fischer et ses collègues ont conçu un système de pompage d'eau unidirectionnel utilisant un réseau de piliers tridimensionnels Au/TiO2 Janus photochimiquement actifs agissant comme des parois de pompage43. Les piliers catalysent la réaction de séparation de l'eau sous illumination UV, donnant lieu à des flux osmotiques locaux autour d'eux. L'effet coopératif des écoulements générés par un réseau de piliers conduit à un écoulement macroscopique unidirectionnel pour un choix judicieux de la géométrie et de l'agencement des piliers.

La rareté des études faisant état de l'unidirectionnalité de l'écoulement de fluide sans fil sans gradients imposés de l'extérieur pourrait être enracinée dans les difficultés à faire correspondre la disposition et le mécanisme de pompage appropriés pour obtenir un effet constructif à l'aide d'un ensemble de pompes. L'unidirectionnalité de l'écoulement des fluides n'est pas simplement obtenue par une répétition périodique de structures actives. Au lieu de cela, une disposition géométrique appropriée et une nano-ingénierie de surface contrôlée des matériaux actifs sont nécessaires pour maintenir le mouvement d'écoulement du fluide dans une direction.

Nous rapportons ici une micropompe auto-activée basée sur Nafion qui peut pomper un fluide en utilisant des sels comme carburant chimique et peut être nanostructurée pour obtenir un pompage unidirectionnel. Le nafion est un ionomère d'acide sulfonique perfluoré avec des capacités d'échange de cations à haute performance en plus d'autres attributs tels qu'une conductivité ionique très élevée, une excellente stabilité thermique et mécanique, une biocompatibilité et des caractéristiques antisalissures44. Nous exploitons les capacités d'échange d'ions de Nafion44 pour induire des flux électroosmotiques tangentiels radiaux ou unidirectionnels en présence de sels45,46,47,48. Pour réaliser un pompage de fluide unidirectionnel à longue portée, un réseau de microbandes de Nafion est modelé avec des stratégies de nanofabrication hautement contrôlables. Ces bandes actives sont intégrées, à leur tour, dans un réseau de bandes adjacentes avec différents potentiels zêta (ζ). Ainsi, la nouveauté de ce système de pompe sans fil réside dans la conception d'un système d'alimentation à échange d'ions intégré dans un réseau nanofabriqué avec une modulation fine du potentiel zêta entourant le Nafion actif pour contrôler la direction du flux. Nous prouvons le pompage de fluide dans une large gamme de concentrations de sel couvrant plus de quatre ordres de grandeur, du micromolaire au millimolaire. Nous montrons également que ces pompes peuvent être facilement régénérées pour être réutilisées sans presque aucune perte de performances. Plus important encore, nous démontrons que ces pompes peuvent être auto-entraînées en utilisant différents cations comme carburant. En particulier, nous montrons que ces pompes Nafion peuvent fonctionner en capturant efficacement les cations de métaux lourds tels que les ions cadmium présents dans les échantillons d'eau contaminée. Par conséquent, ces systèmes pourraient avoir des applications potentielles prometteuses dans l'assainissement de l'eau, où l'on pourrait concevoir des canaux de micropompe dans lesquels l'eau contaminée serait auto-entraînée par le propre contaminant, délivrant de l'eau purifiée à l'extrémité du canal de pompage.

Cette étude élargit également la polyvalence du matériau Nafion des domaines d'application bien connus de l'industrie du chlore-alcali, de la technologie des piles à combustible44,49,50,51,52 ou de la technologie des biocapteurs53,54 au domaine attrayant des réseaux micro/nanofluidiques sans fil et micro/nanomoteurs autopropulsés, favorisés par les stratégies réalisées dans le nanopatterning Nafion.

Nous démontrons d'abord la capacité de Nafion à déclencher le pompage de fluide dans une configuration simple qui active des écoulements radiaux. La disposition de la pompe consiste en un disque de Nafion de 100 µm de diamètre et d'environ 600 nm d'épaisseur entouré d'une région dans laquelle le Nafion a été principalement désactivé. Le matériau Nafion frais est sous sa forme protonée et la désactivation est obtenue par lithographie par faisceau d'électrons qui cisaille les fragments Nafion −SO3− diminuant ses capacités d'échange d'ions47.

La figure 1a schématise une coupe transversale de la micropompe à l'étude décrivant le mécanisme de pompage. Le pompage de fluide est déclenché lorsque le système Nafion à motifs est immergé dans des solutions aqueuses de sel en raison de l'échange de protons par le cation de sel, dans ce cas illustré avec des solutions aqueuses de LiCl. Dans le dispositif expérimental, l'écoulement du fluide est suivi en suivant le mouvement des particules traceuses à base de polystyrène. Les figures 1b et c montrent le comportement de mouvement typique des traceurs colloïdaux proches (b) et éloignés (c) de la surface, respectivement. Les particules proches de la surface se déplacent vers le disque de Nafion, cependant, à mesure qu'elles s'approchent du bord du disque, leur trajectoire se courbe vers le haut dans la direction perpendiculaire au disque et se courbe finalement vers l'extérieur du disque en raison de la continuité du fluide et de la présence de la paroi supérieure de la cellule. (Voir Film supplémentaire 1 et 2).

a (haut) Image schématique de la coupe transversale d'une micropompe Nafion, illustrant le mécanisme de pompage. L'échange d'ions génère un gradient de concentration d'ions (en vert) et un champ électrique (E) schématisé par les lignes rouges, imitant ceux obtenus à partir des simulations décrites dans la figure supplémentaire 3. Les charges dans le Nafion désactivé illustrent le zêta négatif potentiel de cette surface (les charges négatives à l'interface Nafion active ne sont pas représentées par souci de simplicité). Les charges positives dans l'interface liquide désignent les contre-ions qui seront déplacés par la composante tangentielle du champ électrique auto-généré d'échange d'ions, entraînant un flux de fluide (Vf) vers le disque de Nafion actif. A proximité du bord du disque, l'écoulement remonte par continuité fluide et s'infléchit enfin vers l'extérieur du fait de la présence de la paroi sommitale. b, c Instantanés de la vue de dessus de la pompe Nafion réelle prise à différentes hauteurs au-dessus de la surface. Les traceurs en polystyrène entraînés par le fluide s'approchent de la structure Nafion comme le montre l'image prise à un plan près de la surface b puis ils sont soulevés par le fluide et s'éloignent du patch Nafion, comme le montre l'image prise à un z- plan situé à 100 µm de la surface c. d Vitesse radiale moyenne des traceurs de polystyrène dispersés dans 1,0 × 10−4 M de LiCl près de la surface en fonction de la distance radiale et à différents temps de pompage. Les données des différentes courbes ont été obtenues en évaluant et en faisant la moyenne de la trajectoire de plus de 50 particules de polystyrène. La zone ombrée jaunâtre représente la présence du disque de Nafion du centre du disque (0 µm) au bord (50 µm). e Évolution temporelle de la vitesse radiale maximale des traceurs en moyenne sur 25 à 50 trajectoires en présence de solutions aqueuses contenant différents cations salins. Les barres d'erreur dans les figures représentent l'écart type. Les données source de d, e sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

La vitesse spatiale et l'évolution temporelle des performances de la pompe ont été évaluées en suivant les vitesses radiales moyennes des traceurs de polystyrène dispersés dans 1, 0 × 10−4 M de LiCl dans la région proche de la surface (Fig. 1b). En général, les particules augmentent leur vitesse radiale à l'approche du disque, présentant des valeurs maximales à 60–80 µm du centre du disque (le rayon du disque Nafion est de 50 µm). Ensuite, la vitesse radiale décroît à l'intérieur de la région de Nafion parce que les particules sont poussées vers le haut par le fluide ou parce qu'elles sont retenues sur le disque lorsque la vitesse du fluide n'est pas assez grande pour les soulever, un phénomène qui est plus susceptible de se produire en général fois. Des vitesses maximales de traceur de l'ordre de 30 µm/s ont été détectées à des temps très courts. Ce sont des valeurs importantes par rapport à celles obtenues avec d'autres pompes catalytiques combinant des métaux dans des solutions H2O230 ou des métaux/semi-conducteurs dans l'eau31,32. La vitesse maximale diminuait à des valeurs d'environ 2 µm/s lorsqu'elle atteignait une demi-heure d'actionnement. La pompe a pu continuer à fonctionner pendant plus de 45 minutes, ce qui est remarquable si l'on considère que la couche de Nafion n'a que 600 nm d'épaisseur.

Les pompes Nafion peuvent être activées avec différents sels comme carburant puisque Nafion peut échanger des protons avec différents cations47 (Films supplémentaires 3 et 4). En fait, la Fig. 1 e montre comparativement l'évolution dans le temps de la vitesse de pompage déclenchée avec LiCl, NaCl et CdCl2 de même concentration (1,0 × 10−4 M) et avec CdCl2 de même force ionique que les chlorures de métaux alcalins (CdCl2 3,3 × 10−5M). Des vitesses très élevées ont été observées à des temps plus courts étant celles obtenues avec les cations divalents les plus élevés et aussi celles qui se désintègrent plus brusquement avec le temps, en particulier celle à 1,0 × 10−4 M de CdCl2.

L'effet de la concentration en sel sur les performances de la pompe a également été évalué expérimentalement en fonction de différentes concentrations de LiCl, comme illustré dans la Fig. 2a supplémentaire. La vitesse radiale du fluide des traceurs présente un comportement non monotone ; il augmente avec la concentration en sel à de très faibles concentrations de sels, mais commence ensuite à diminuer à des concentrations plus élevées. Le pompage de fluide persiste remarquablement même à des concentrations de sel mM. Ainsi, ces pompes Nafion sont très prometteuses pour les applications car elles peuvent fonctionner dans une large gamme de concentrations de sel, contrairement aux pompes catalytiques.

Une autre caractéristique très intéressante de ces pompes est leur réutilisation après régénération. La pompe Nafion fraîche est sous sa forme protonée et après utilisation avec des électrolytes LiCl, la pompe est chargée d'ions Li+. La pompe Nafion a été régénérée sous forme protonée par immersion dans HCl 10-2 M pendant 6 h. Ensuite, la pompe a été réutilisée dans 1,0 × 10−4 M LiCl. La figure supplémentaire 2b compare la vitesse radiale des traceurs dans 1,0 × 10−4 M LiCl sur une pompe fraîchement préparée avec celle obtenue lors de l'utilisation de la même pompe une deuxième fois après une étape de régénération. Les performances de la pompe étaient presque les mêmes, avec seulement une légère diminution de la vitesse après la régénération.

Le mécanisme responsable du pompage de fluide est illustré schématiquement sur la figure 1a. Le pompage provient de la capacité de Nafion à échanger des ions. Lorsqu'un échantillon de Nafion protoné est immergé dans un électrolyte contenant du sel, tel que LiCl, des protons sont libérés de Nafion et en échange, des ions lithium de l'électrolyte sont incorporés dans le film de Nafion. En conséquence, des gradients de concentration de protons et d'ions lithium se sont accumulés près de l'interface47. Ces gradients vont générer un courant ionique régi par l'équation de Nernst-Planck

où les termes du côté droit représentent respectivement les contributions de diffusion (due au gradient de concentration), de migration (due à un champ électrique E) et de convection (due à une vitesse de fluide v). Di et Ci représentent le coefficient de diffusion et la concentration de l'ion i, zi est la valence de l'ion, e est la charge élémentaire, \({k}_{B}\) est la constante de Boltzmann et T est la température. Cet échange d'ions ne génère pas de courant électrique net \({{{{{{\bf{J}}}}}}}_{{{{{\bf{e}}}}}}}\). Par conséquent, en imposant \(\it {{{{{{\bf{J}}}}}}}_{{{{{\rm{e}}}}}}}=\mathop{\sum} \limits_{i}{z}_{i}e{{{{{{\bf{j}}}}}}}_{{{{{\rm{i}}}}}}}\) = 0, on obtient qu'un champ électrique

s'accumule en présence de gradients de concentration afin de garantir l'absence de courant électrique. La génération d'un champ électrique d'origine similaire est le principe de base de la diffusiophorèse ionique, sur laquelle fonctionnent de nombreux moteurs et pompes catalytiques. (Le terme convectif est généralement négligeable et ne contribue en fait pas au courant de charge net si le fluide est électroneutre. L'électroneutralité produit également un champ électrique nul si le coefficient de diffusion des ions \({D}_{i}\) sont tous le même). Par conséquent, un gradient de concentration et un champ électrique se forment spontanément près de l'interface en raison des coefficients de diffusion inégaux des ions échangés, comme le prouvent les études précédentes47,55. Parmi les sels contenant des chlorures de métaux alcalins, les ions Li ont été choisis pour les expériences en raison de leur faible coefficient de diffusion, fournissant ainsi une plus grande différence de coefficients de diffusion par rapport aux protons, ce qui entraîne une plus grande génération de champ électrique près de l'interface.

Lorsqu'une couche continue de Nafion est utilisée, les gradients de concentration et le champ électrique sont perpendiculaires à la surface et ne génèrent aucun écoulement de fluide. Pour déclencher le mouvement du fluide, une composante tangentielle du champ électrique est nécessaire. Ceci est réalisé en nanostructurant Nafion en patchs, comme celui représenté sur la figure 1a, représentant un disque de Nafion entouré de Nafion désactivé. Pour ce patch de Nafion fini, le champ électrique pointera toujours vers le Nafion, mais il aura maintenant une composante parallèle à la surface qui, lorsque cette surface est chargée, conduira à un écoulement de fluide par diffusion multi-ionique47,55. Dans une solution multi-ionique la vitesse diffusio-osmotique du fluide est donnée par55 :

où le premier terme représente la contribution chimio-osmotique et le second le terme électroosmotique qui est proportionnel au champ électrique donné par l'Eq. (2), étant ζw le potentiel zêta de surface et \(\varepsilon\) et \(\eta\) la permittivité et la viscosité du fluide, respectivement. Nous avons constaté que la contribution électroosmotique est le terme dominant47. Ainsi, la direction de l'écoulement du fluide est dictée par le signe du potentiel zêta de la surface56. Nous avons mesuré expérimentalement le potentiel zêta de Nafion et désactivé Nafion à partir du potentiel/courant de flux des surfaces planes de ces matériaux en utilisant 1,0 × 10−4 M LiCl comme électrolyte et un pH de 5,7. La région Nafion est celle avec le plus grand potentiel zêta négatif (-73 ± 3 mV). Le Nafion désactivé présente un potentiel zêta moins négatif (-37 ± 3 mV) par rapport au Nafion, ce qui est attendu en raison de l'élimination des groupes sulfoniques. Étant donné que le potentiel zêta de la surface (à la fois Nafion et Nafion désactivés) est négatif, les flux de fluide électroosmotique et chimio-osmotique tangentiel vers le disque de Nafion sont activés avec la formation conséquente de rouleaux de convection.

Ce mécanisme a été vérifié par des simulations imitant le montage expérimental. Les détails de la mise en œuvre sont expliqués dans les méthodes supplémentaires. La figure supplémentaire 3 montre la concentration de protons, le champ électrique et les lignes de courant d'écoulement de fluide résultant de la simulation de la pompe radiale Nafion. La simulation montre que l'échange de protons par les ions Li+ ayant lieu au niveau du disque de Nafion génère un gradient de concentration et un champ électrique pointant radialement vers le disque de Nafion. La composante tangentielle de ce champ électrique agissant sur les contre-ions mobiles positifs accumulés sur la surface de Nafion désactivée chargée négativement, entraîne le fluide vers le disque de Nafion générant des rouleaux de convection. La figure supplémentaire 4 montre la valeur de la composante radiale du champ électrique en fonction de la distance radiale, mesurée à partir du centre du disque Nafion, représentant un fort pic au bord du disque. Les simulations montrent également que cette composante tangentielle du champ électrique est quasiment insensible à la valeur du potentiel zêta du matériau entourant le Nafion actif. Le potentiel zêta de la surface donne le signe de la charge et de la distribution des contre-ions mobiles qui se déplacent en présence du champ électrique tangentiel, entraînant le fluide. Les simulations confirment également qu'il n'y a pas d'écoulement de fluide en l'absence d'échange d'ions, et qu'il y a pompage même si les potentiels zêta des deux surfaces seraient les mêmes.

La figure supplémentaire 5 montre le comportement obtenu dans la simulation pour la vitesse de pompage en fonction de la concentration en sel. Si Nafion agit comme un puits pur pour les cations, le champ électrique et la vitesse de pompage devraient augmenter avec la concentration de sel jusqu'à atteindre une valeur constante à des concentrations de sel élevées (voir Fig. 5a et b supplémentaires). En fait, l'éq. (2) permet d'expliquer ce comportement et le fait que ces pompes peuvent encore fonctionner à des concentrations élevées en sel, contrairement aux pompes catalytiques. Dans les pompes catalytiques, le courant et le champ électrique auto-généré sont dictés par la concentration en carburant, typiquement le peroxyde d'hydrogène. L'ajout de sel augmente la force ionique et filtre le champ électrique, réduisant ainsi la force motrice et rendant ce type de moteurs et de pompes presque inopérants à des concentrations élevées de sel. Au contraire, pour les pompes à échange d'ions, puisque le sel lui-même est le carburant, l'augmentation de la concentration en sel augmentera le gradient de concentration (le numérateur dans l'équation (2)) et la force ionique (le dénominateur) de la même manière, conduisant à un champ électrique et un flux de vitesse correspondant qui restent presque constants pour des concentrations élevées de sel, comme observé dans les simulations.

La décroissance de la vitesse pour les fortes concentrations de sel (Fig. 2a supplémentaire) ainsi que la baisse des performances dans le temps observées dans les expériences (Fig. 1 e) sont dues à la capacité protonique limitée de la fine couche de Nafion utilisée. Une simple estimation d'ordre de grandeur peut être faite pour illustrer cet effet. La capacité d'échange d'ions du Nafion est d'environ 4 × 103 mol de H+/m3 47, ce qui pour un film de Nafion de 0,6 µm d'épaisseur donne 2,4 × 10−3 mol de H+/m2. Le courant de diffusion moyen du cation Li+ à l'interface Nafion obtenu dans les simulations est de 3,8 × 10−6 mol/m2 s. Cela signifie qu'au bout d'environ 630 s, tous les protons seront épuisés si l'échange se poursuit au régime permanent. Vraisemblablement, à mesure que les protons se raréfient, le courant d'échange diminue, ce qui réduit le champ électrique et la vitesse de la pompe. Comme le courant d'échange est proportionnel à la concentration en sel, ce processus de saturation se produira plus rapidement pour des concentrations en sel plus élevées. En conséquence, en raison d'une saturation plus rapide, la vitesse de pompage disparaîtra plus rapidement et à un temps fixe, la vitesse devrait être plus petite à mesure que la concentration en sel augmente.

Les simulations (voir la Fig. 6 supplémentaire) montrent également que le pompage fonctionne avec des vitesses similaires avec différents cations monovalents comme Li+, Na+, K+ et aussi avec des ions divalents comme Cd+2. Dans le cas de l'ion divalent, 2H+ sont échangés par un Cd2+. Par conséquent, la saturation serait atteinte à des temps plus courts, ce qui explique la chute rapide de la vitesse de la pompe observée dans les expériences avec Cd+2.

La figure supplémentaire 8 montre la vérification expérimentale que de grandes vitesses de pompage peuvent être maintenues plus longtemps en augmentant l'épaisseur de la couche de Nafion, car sa saturation est retardée. Ainsi, nous pensons que ces pompes polymères pourraient avoir la capacité de fonctionner à des concentrations de sels supérieures à la plage millimolaire en ajustant l'épaisseur de la couche polymère. Des travaux futurs seront effectués pour résoudre spécifiquement ce problème, et les détails du mécanisme d'échange d'ions qui vont au-delà de la portée du présent document, où l'objectif était de démontrer la faisabilité d'utiliser l'échange d'ions pour générer un pompage de fluide et obtenir des résultats unidirectionnels. couler.

La stratégie la plus courante pour maintenir le pompage de fluide unidirectionnel sur de longues distances consiste à répéter périodiquement la structure de base qui génère le mouvement du fluide. Cependant, dans ce cas, la combinaison de bandes alternées de Nafion actif et désactivé n'accomplirait pas un écoulement unidirectionnel puisque plusieurs rouleaux de convection seraient produits à la place. Le champ électrique pointant vers le tampon de Nafion actif ainsi que le potentiel zêta de surface symétrique des deux côtés dirigeraient toujours le flux de fluide vers les patchs de Nafion actifs, comme illustré à la Fig. 2a. Pour rectifier le mouvement du fluide dans une direction, il est important de briser la symétrie de charge de surface autour de Nafion. Un moyen simple d'y parvenir consiste à ajouter une troisième bande d'un matériau avec un potentiel ζ positif. Le champ électrique généré par l'échange d'ions dans le tampon Nafion agissant sur la région de potentiel zêta positif entraînerait un flux électroosmotique pointant maintenant vers l'extérieur du patch Nafion, redirigeant le flux de fluide vers l'unité de pompe suivante du réseau comme illustré à la Fig. 2b. Par conséquent, en répétant périodiquement une structure de base formée par des bandes alternées de Nafion désactivé (ζ négatif) / Nafion / surface avec ζ positif, les rouleaux convectifs pourraient être supprimés, réalisant le pompage unidirectionnel souhaité.

un schéma d'une pompe constituée de bandes alternées de Nafion désactivé et actif, conduisant à la formation de plusieurs rouleaux de convection le long du réseau à motifs. b Schéma de conception d'une pompe basé sur la répétition périodique d'une unité de base constituée de bandes alternées de Nafion désactivé (ζ négatif)/Nafion/Al2O3 (ζ positif) qui conduirait à un écoulement unidirectionnel du fluide le long de la surface à motifs. L'interface chargée dans le Nafion a été omise pour alléger le contenu de la figure. Les patchs Al2O3 avec ζ positif accumulent des contre-ions négatifs qui, en présence de la composante tangentielle du champ électrique généré par l'échange d'ions, se déplaceront également vers la droite, entraînant le fluide jusqu'à l'unité répétitive suivante, réalisant un écoulement unidirectionnel.

En conséquence, nous avons fabriqué des unités de micropompe composées de trois bandes adjacentes constituées de Nafion, Nafion et Al2O3 désactivés avec respectivement 25, 25 et 30 µm de largeur et 500 µm de long (Fig. 3a). Ces éléments constituent l'unité répétitive d'un réseau à motifs étendu dans l'espace. Le système d'auto-pompage a été modelé en utilisant la lithographie par faisceau d'électrons standard, l'évaporation par faisceau d'électrons et le revêtement par centrifugation, comme détaillé dans la section Méthodes et expérimentale. Le procédé est également compatible avec la photolithographie ou l'utilisation de la lithographie au pochoir. Le potentiel zêta de l'alumine a également été mesuré à 1,0 × 10−4 M LiCl et pH de 5,7, vérifiant qu'il a une valeur positive de 17 ± 2 mV. Comme précédemment, le mouvement du fluide est suivi en suivant le mouvement des traceurs de particules de polystyrène dans 1,0 × 10−4 M LiCl.

a Réseau de bandes à motifs constitué de l'unité répétitive composée de Nafion désactivé (25 μm, ζ = −37 ± 3 mV) /Nafion (25 μm, ζ = −73 ± 3 mV) /Al2O3 (30 μm, ζ = 17 ± 2 mV). b Trajectoires du traceur le long de la surface à motifs prouvant le mouvement directionnel (DN et N se réfèrent respectivement à Nafion et Nafion désactivés). c Vitesse tangentielle moyenne des traceurs de polystyrène le long de la structure à motifs. Les zones ombrées en bleu, vert et rouge représentent respectivement les bandes de Nafion, Nafion et Al2O3 désactivées. Les barres d'erreur dans la figure représentent l'écart type. Les données source de b, c sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

La figure 3b montre un tas de trajectoires des traceurs de polystyrène lorsqu'ils interagissent avec la pompe à motifs, prouvant leur mouvement unidirectionnel. La vitesse moyenne des traceurs le long de la surface à motifs pendant les dix premières minutes d'actionnement est représentée sur la figure 3c. En général, les traceurs se déplacent avec des vitesses moyennes supérieures à 3 µm/s, qui peuvent être accélérées aux frontières des différents matériaux. Le mouvement des traceurs de particules peut être observé dans le film supplémentaire 5.

Nous avons également conçu un autre réseau de pompes en remplaçant le Nafion désactivé par des structures SiO2. L'oxyde de silicium présente un potentiel zêta plus négatif que la structure Nafion désactivée avec une valeur de -66 ± 3 mV. L'unité de pompage répétitive est constituée dans ce cas d'une alternance de bandes de SiO2/Nafion/Al2O3 de dimensions respectivement 25, 25 et 30 µm de large et 500 µm de long (cf. Fig. 4a). Un écoulement de fluide unidirectionnel a été réalisé, comme le prouvent les trajectoires des traceurs collectées sur la figure 4b et le film supplémentaire 6. Nous avons extrait la vitesse moyenne le long du réseau à motifs en évaluant le mouvement des traceurs au cours des dix premières minutes de l'actionnement de la pompe. comme représenté sur la figure 4c. Des performances de pompe similaires ont été obtenues par rapport au Nafion/Nafion/Al2O3 désactivé avec des vitesses moyennes supérieures à 2 µm/s ainsi que des pics de vitesse principalement aux limites SiO2/Nafion. Les expériences de contrôle en l'absence de sel ne montrent que le mouvement brownien dans les particules de traceur (film supplémentaire 7).

a Réseau de bandes à motifs constitué de l'unité répétitive composée de SiO2 (25 μm, ζ = −66 ± 3 mV) /Nafion (25 μm, ζ = −73 ± 3 mV) /Al2O3 (30 μm, ζ = 17 ± 2 mV). b Trajectoires du traceur le long de la surface à motifs prouvant le mouvement directionnel (N se réfère à Nafion). Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source. c Vitesse tangentielle moyenne des traceurs le long des structures à motifs. Des traceurs de polystyrène dans 1,0 × 10−4 M LiCl ont été utilisés pour suivre l'écoulement du fluide. Les zones ombrées violettes, vertes et rouges représentent respectivement les bandes de SiO2, Nafion et Al2O3. Les barres d'erreur dans la figure représentent l'écart type. Les données source de b, c sont fournies sous la forme d'un fichier de données source.

Une autre configuration de pompe en forme de croix a été fabriquée à l'aide de quatre réseaux de ces bandes constituées d'unités répétitives de SiO2/Nafion/Al2O3, comme illustré à la Fig. 9 supplémentaire. Cette disposition sert à démontrer que le fluide peut être redirigé simultanément dans différentes directions orthogonales, comme peut être vu dans le film supplémentaire 8.

Nous avons également mis en contraste ces données expérimentales avec des simulations par éléments finis. Les détails de mise en œuvre sont discutés dans les informations supplémentaires. Un réseau de micropompes de 5 unités répétitives, chacune composée de bandes alternées de SiO2/Nafion/Al2O3 avec les mêmes dimensions de bande et les mêmes potentiels zêta que dans l'expérience, a été simulé. Les autres paramètres sont répertoriés dans le tableau supplémentaire 1.

La figure 5a montre la valeur de la composante horizontale de la vitesse d'une particule de traceur de polystyrène obtenue à partir des simulations à 3 µm au-dessus de la surface. Les simulations révèlent le mouvement net du traceur le long du réseau de micropompes avec des vitesses moyennes supérieures à 2 µm/s et prennent en charge la génération d'un écoulement de fluide directionnel. La vitesse tangentielle présente des variations périodiques avec de grands pics aux frontières SiO2/Nafion et de petits pics à l'interface Nafion/Al2O3. Les résultats de cette simulation concordent qualitativement avec les données expérimentales présentées sur la figure 4c. Une comparaison quantitative directe est difficile à réaliser car les particules traceuses ne suivent pas une trajectoire de hauteur constante en raison de l'influence de la gravité, du mouvement brownien et de la composante verticale de la vitesse. Les pics de vitesse coïncident avec les régions de gradients chimiques plus élevés, comme on peut l'observer dans la cartographie du pH de la figure 5b. La carte du pH montre une augmentation de la concentration de protons juste au-dessus de Nafion en raison de l'échange d'ions créant un fort gradient chimique au niveau des bandes voisines. Ce gradient génère un champ électrique (voir Fig. 7 supplémentaire) avec une composante tangentielle qui est positive (c'est-à-dire pointant vers la droite) à la frontière SiO2/Nafion et négative (c'est-à-dire pointant vers la gauche) à la frontière Nafion/Al2O3 . Ce champ électrique tangentiel positif agissant au-dessus du SiO2 chargé négativement et le champ électrique négatif agissant au-dessus de la surface Al2O3 positive entraînent tous deux un écoulement de fluide dans la même direction (vers la droite).

a Composante horizontale de la vitesse attendue d'une particule de traceur de polystyrène le long du réseau de bandes composé de micropompes répétitives de SiO2/Nafion/Al2O3. La vitesse du traceur a été obtenue à partir des simulations à 3 µm au-dessus de la surface et a été lissée à l'aide d'une moyenne mobile de 5 µm. Les données source sont fournies sous la forme d'un fichier de données source. b Cartographie du pH (échelle de couleurs) et lignes de courant de l'écoulement du fluide sur les trois premières répétitions de la structure périodique. Les lignes de courant sont colorées par la valeur locale de la vitesse du fluide, et illustrent les variations de vitesse provoquées par le pompage local déclenché par les patchs de Nafion.

Les lignes de courant du champ de vitesse du fluide résultant sont également représentées sur la figure 5b, colorées par le module de la vitesse. La vitesse du fluide est grande et montre de fortes variations d'intensité près de la surface comme on peut l'observer à partir des changements de couleur le long des lignes de courant. Le flux devient plus lent et plus uniforme le long du réseau à des distances z plus élevées, avec des vitesses moyennes dépassant toujours 1 µm/s à 50 µm au-dessus de la surface.

Comme preuve de concept, nous avons testé expérimentalement les capacités de ces micropompes Nafion à piéger le Cd2+ dans des échantillons d'eau. Des échantillons de Nafion de 2 × 2 cm2 et de 600 nm d'épaisseur ont été immergés dans 3 ml de solution aqueuse contenant des ions différents pendant 45 min. Les concentrations initiales et finales d'ions après l'interaction de Nafion ont été analysées par spectrométrie d'émission optique avec une source d'excitation à plasma à couplage inductif (ICP-OES). Le tableau 1 montre les changements de concentration en ions de différents échantillons aqueux contenant uniquement du Cd2+ (a) ou un mélange de Cd2+ et de Na+ (b et c). Dans le cas de l'échantillon (c), la concentration de Na est celle typique trouvée dans l'eau potable.

De manière surprenante, la pompe Nafion est assez sélective à l'élimination des ions cadmium et présente une très bonne efficacité d'élimination de plus de 95% dans des temps de fonctionnement très courts avec une capacité d'élimination de plus de 78 mg d'ions Cd par gr de Nafion, équivalent à 1200 moles de Cd2+/m3 et proche de la capacité nominale d'échange d'ions Nafion. La sélectivité du Nafion aux ions Cd2+, sa réutilisabilité et le potentiel de travailler à des concentrations élevées de sel, encouragent des investigations supplémentaires pour optimiser la conception de ces pompes auto-entraînées unidirectionnelles pour les applications de décontamination de l'eau. Ces études peuvent être étendues à d'autres ions multivalents d'intérêt en biomédecine ou en remédiation environnementale.

En résumé, nous avons introduit une micropompe alimentée chimiquement basée sur Nafion qui est auto-activée par ses capacités d'échange d'ions en utilisant des sels inoffensifs comme carburant. L'échange d'ions avec différents coefficients de diffusion génère un champ électrique qui, en organisant correctement le Nafion en patchs, peut entraîner un écoulement de fluide par électroosmose. Nous avons démontré un pompage de fluide à grande vitesse formant des rouleaux de convection mais également un pompage unidirectionnel sur une micro/nanostructuration adéquate de Nafion en modulant le potentiel zêta des bandes adjacentes. Un flux unidirectionnel est obtenu avec un réseau de micropompes à motifs avec des unités répétitives composées de bandes alternées de matériaux à potentiel zêta négatif (tels que Nafion ou SiO2 désactivé), de Nafion et de matériaux à potentiel zêta positif (par exemple, Al2O3). L'interaction de la composante tangentielle du champ électrique, générée par l'échange d'ions et pointant toujours vers Nafion, avec le réglage fin du potentiel zêta des bandes environnantes redirige le flux de fluide vers la prochaine unité de micropompe du réseau, réalisant le flux unidirectionnel souhaité. Des simulations numériques de ces pompes appuient également les résultats expérimentaux. Comme application de preuve de concept, nous avons utilisé ces pompes Nafion pour éliminer sélectivement et efficacement les ions cadmium des échantillons d'eau avec la particularité que le pompage est auto-entraîné par le propre ion contaminant.

Avec cette étude, nous avons montré la possibilité de conduire et de guider des écoulements de fluides auto-entretenus à l'échelle microscopique en combinant l'échange d'ions avec un micropatterning approprié de surfaces avec des potentiels zêta adéquats. Contrairement à d'autres pompes à propulsion chimique, les pompes à échange d'ions présentent une tolérance élevée au sel, enracinée dans le fait que le blindage du champ électrique causé par l'augmentation de la force ionique est également équilibré par l'augmentation du champ électrique généré par le gradient de concentration en sel. En particulier, nous avons constaté que ces micropompes Nafion peuvent fonctionner dans une large gamme de concentrations de sel couvrant plus de quatre ordres de grandeur, un résultat remarquable compte tenu de la fine couche de Nafion utilisée dans cette étude. De plus, ils peuvent être facilement régénérés pour être réutilisés. Toutes ces propriétés peuvent devenir très pertinentes pour optimiser de nombreuses applications telles que le transport de masse et la structuration de matériaux à des endroits précis, la (bio)détection, l'administration de médicaments ou les applications environnementales.

Nos résultats encouragent la poursuite des travaux sur ces systèmes car il reste encore beaucoup de place pour l'optimisation des appareils. En ajustant les dimensions de Nafion, il est possible d'augmenter le temps de fonctionnement et d'étendre son applicabilité aux fluides avec des concentrations salines plus élevées. D'autres techniques de lithographie pourraient être utilisées telles que la lithographie au pochoir ou la lithographie basée sur des lasers de forte puissance avec capacité de découpe. Ce sont des outils de fabrication plus rapides et laisseraient moins de résidus, ce qui pourrait augmenter les vitesses de pompage des fluides. De plus, des matériaux plastiques rentables peuvent également être utilisés comme support Nafion qui ont déjà montré une bonne adhérence et une polyvalence pour le modelage. L'intégration de Nafion avec des pastilles métalliques adjacentes pourrait être utilisée pour modifier le potentiel zêta environnant à volonté en temps réel via des stimuli externes, de sorte que le pompage puisse être activé et désactivé, ou même commuté entre différentes directions. Tous ces ingrédients sont très prometteurs pour concevoir des prototypes pratiques et évolutifs pour des applications réelles.

De plus, cette étude promet d'étendre la polyvalence du matériau Nafion des domaines d'application bien connus (par exemple, les piles à combustible, les biocapteurs, les technologies de filtration/séparation/purification, les nouveaux revêtements antisalissures, etc.) au domaine attrayant de la micro/nanofluidique sans fil. réseaux ou micro/nanomoteurs automoteurs. De plus, les stratégies réalisées dans le nanopatterning Nafion ouvrent la possibilité d'intégrer Nafion avec des métaux, des isolants et des semi-conducteurs dans des dispositifs nanofabriqués. Toutes ces capacités peuvent ouvrir la voie à l'exploitation des propriétés remarquables de ce polymère échangeur d'ions dans des myriades de nouvelles applications.

Micropompe Nafion pour le déclenchement de flux radiaux

La fabrication des micropompes Nafion a démarré en filant une dispersion de Nafion diluée (5%) dans l'isopropanol à partir d'une dispersion commerciale de Nafion sous forme protonée (Aldrich, 10% dans l'eau, poids eq. 1100) sur des wafers Si modifiés par une couche Au 50 nm et suivi d'une étape de chauffage à 100°C pendant 5 min. Le processus de filature a été répété pour obtenir des épaisseurs typiques d'environ 600 nm, mesurées avec un microscope à force atomique et un profilomètre. Après cela, le film de Nafion a été soumis à une lithographie par faisceau d'électrons pour définir un disque de Nafion de 100 µm de diamètre. La lithographie par faisceau d'électrons modifie la composition du Nafion par la scission des fragments −SO3− qui entraînent une perte importante de ses capacités d'échange d'ions47.

Micropompe Nafion pour le déclenchement de flux unidirectionnels

Le processus de fabrication commence par modeler un réseau de bandes d'or sur une tranche de SiO2 avec des dimensions de bande de 50 nm d'épaisseur, 50 µm de large et 500 µm de long, et un pas de 80 µm. Le motif est réalisé par lithographie par faisceau d'électrons standard plus évaporation d'or. Ensuite, la surface a été soumise à un processus de plasma d'oxygène (400 W, 2 minutes) suivi du revêtement par centrifugation d'une couche de Nafion de 600 nm d'épaisseur sur toute la surface comme décrit ci-dessus. Profitant de la bonne adhérence du Nafion sur Au, l'échantillon a ensuite été immergé dans de l'eau qui enlève le Nafion des parties en silicium en ne laissant la couche de Nafion que sur les bandes d'or. Une deuxième étape lithographique a été réalisée pour définir un réseau de bandes Al2O3 adjacentes. La bande d'alumine a été évaporée avec une source de faisceaux d'électrons et avait des dimensions de 30 µm de large, 500 µm de long et 50 nm d'épaisseur avec un pas de 80 µm. Lors de cette deuxième étape lithographique avec l'échantillon contenant déjà du Nafion, le développement a été effectué dans de la méthylisobutylcétone sans être dilué dans de l'isopropanol et pour le décollage du dichlorométhane a été utilisé à la place de l'acétone pour éviter la dégradation du Nafion. Après cela, une zone de 25 µm de large x 500 µm de long de la bande d'or/Nafion a été soumise à une lithographie par faisceau d'électrons pour désactiver le Nafion et ainsi obtenir l'unité de pompe constituée de bandes alternées de Nafion/Nafion/Al2O3 désactivé.

Dans le cas du réseau de micropompes SiO2/Nafion/Al2O3, le processus de fabrication consistait en deux étapes lithographiques. La première consistait à définir les motifs de bande Au mais dans ce cas avec une largeur de 25 µm et en gardant le reste des dimensions identiques. La même procédure que mentionnée ci-dessus a été suivie pour définir les régions de Nafion sur les bandes d'Au et les bandes d'alumine.

Le potentiel zêta des surfaces Nafion, Nafion désactivé, Al2O3 et SiO2 a été obtenu à partir de la mesure du courant continu à l'aide d'un analyseur électrocinétique (EKA, Anton Paar KG, Graz, Autriche). Les échantillons ont été préparés sur des plaques de polycarbonate de 4 × 5 cm et de 0,2 cm d'épaisseur sur lesquelles le Nafion présente également une très bonne adhérence et est également un substrat compatible pour la nanostructuration du Nafion avec la lithographie par faisceau d'électrons. Dans tous les cas, une cellule de serrage commerciale (Anton Paar) a été utilisée avec un échantillon de PMMA (fourni par le fabricant) face à l'échantillon à mesurer. Le système fonctionnait sous une forme de rampe de pression alternée de 0 à 300 mbar. Chaque mesure était la moyenne de 8 cycles utilisant une solution d'électrolyte LiCl 10-4 M dans de l'eau Millipore.

Le potentiel zêta a été calculé à l'aide de l'équation de Helmholtz-Smoluchowski :

où ε et η sont respectivement la permittivité et la viscosité de l'électrolyte ; L et S sont la longueur et la section transversale du canal électrocinétique et p et Istr sont la pression et la différence de courant d'écoulement entre les deux extrémités du canal, respectivement. La valeur de L/S est la même pour toutes les mesures effectuées et a été calculée dans un précédent travail57 : L/S = 24,5 ± 0,5 mm−1. Concrètement, cette valeur a été obtenue expérimentalement en mesurant les sept canaux de l'échantillon de PMMA fourni par le fabricant, à l'aide d'un profilomètre optique (Leica DCM8) pour les mesures de section, avec une résolution de 12 µm dans l'axe Z et de 2,58 µm dans l'axe Z. Axe XY, et un micromètre (micromètre électronique Schut) pour les mesures de longueur, avec une précision de 1 µm. Les valeurs théoriques fournies par le fabricant étaient : L = 20 mm, S = (1 × 0,14) × 7 mm2.

En raison de l'asymétrie de la cellule utilisée, l'équation suivante a été appliquée pour obtenir le potentiel zêta de chaque échantillon :

où ζPMMA a été calculé avec Eq. 4 en utilisant l'échantillon de PMMA de référence, et sa valeur est : -54 ± 3 mV.

La cellule de fluide a été mise en place en plaçant une entretoise en forme de joint de 8 mm de diamètre et de 0,3 mm d'épaisseur au-dessus des pompes, puis recouverte d'un mince couvercle en verre. L'écoulement du fluide a été suivi en suivant le mouvement de particules de traceur de polystyrène de 2 µm de diamètre (ζ = -12 mV de Kisker Biotech GmbH & Co). Des particules de polystyrène modifiées à l'amidine (ζ = 46 mV, Invitrogen) ont également été utilisées pour obtenir la figure 1. Les valeurs de particules ζ ont été obtenues avec un Malvern ZetaSizer. Les particules colloïdales ont été dispersées dans différentes concentrations de sels de LiCl allant de 1,2x 10−6 M à 0,001 M. Les sels de LiCl ont été choisis car des travaux antérieurs ont démontré qu'un champ électrique plus élevé était généré à l'interface Nafion lorsque les protons sont échangés par des ions Li+, en raison de la plus grande différence des valeurs du coefficient de diffusion entre les protons et Li+. Avant l'évaluation du pompage de fluide avec des traceurs colloïdaux dispersés dans des sels de LiCl, les dispositifs de pompage ont été pré-humidifiés dans de l'eau Milli-Q pendant 30 min. Le pré-mouillage au nafion aide à protoner les fractions sulfonate et à minimiser le mouvement du fluide dû à l'absorption d'eau lors de l'inspection du pompage du fluide. La cellule liquide a été définie à l'aide d'un espaceur en silicone (Secure-Seal™, Invitrogen) de 9 mm de diamètre et coiffée d'un couvercle en verre. Le mouvement des particules a été enregistré optiquement et analysé avec le logiciel Diatrack pour déterminer leur trajectoire et leur vitesse.

L'analyse de la concentration ionique avant et après interaction avec les pompes Nafion a été réalisée au moyen de la spectrométrie d'émission optique avec une source d'excitation à plasma à couplage inductif (ICP-OES) Agilent, modèle 5900. Les solutions aqueuses ont été préalablement acidifiées avec HNO3 (1% v/v) avant d'être injecté, préparer en parallèle le blanc correspondant (HNO3 1%) et les solutions étalons pour le processus d'étalonnage. Les concentrations des solutions étalons pour Na+ et Cd2+ étaient de 0,02, 0,1, 0,25, 1, 2,5 et 5 ppm, toutes dans 1 % de HNO3.

Toutes les données nécessaires pour évaluer les conclusions de l'article sont présentes dans l'article et/ou les informations supplémentaires. Les données sources sous-jacentes aux Figs. 1d, e, 3b, c, 4b, c, 5a, Supplémentaire Fig. 2a et b, Supplémentaire Fig. 4, Supplémentaire Fig. 5a et b, Supplémentaire Fig. 6a et b, Supplémentaire Fig. 7, Supplémentaire Fig. 8 et Les figures supplémentaires 9b et c sont fournies dans le fichier de données source. Les données sources sont fournies avec ce document.

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Cette recherche a été soutenue par le ministère espagnol de l'économie et de la compétitivité (MINECO) sous le contrat n° FIS2015-67837 et PGC2018-095032-B-100. Merci également au projet RTI2018-096862-B-I00, soutenu par MCIN/ AEI /10.13039/501100011033/ FEDER "Una manera de hacer Europa" et aux subventions TE-0033-19, GR21119, et IB20092 par la Junta de Extremadura- FEDER (Fonds européen de développement régional). L'ICN2 est financé par le programme CERCA/Generalitat de Catalunya. L'ICN2 est soutenu par le programme Severo Ochoa du MINECO (Subvention SEV-2017-0706). Nous reconnaissons également les échanges scientifiques et le soutien du Center for Molecular Water Science (CMWS).

Institut catalan de nanosciences et nanotechnologies (ICN2), CSIC et BIST, Campus UAB, Bellaterra, 08193, Barcelone, Espagne

Maria J. Esplandiu & Jordi Fraxedas

Département de Physique de la Matière Condensée, Université de Barcelone, C/Martí i Franquès 1, 08028, Barcelone, Espagne

David Réguera

Université de Barcelone, Institut des Systèmes Complexes (UBICS), C/Martí i Franquès 1, 08028, Barcelone, Espagne

David Réguera

Université d'Estrémadure, Département de physique appliquée et Institut universitaire de recherche biomédicale (INUBE), Badajoz, Espagne

Daniel Romero-Guzman & Amparo M. Gallardo-Moreno

Centre de recherche en réseau sur la bioingénierie, les biomatériaux et la nanomédecine (CIBER-BBN), Badajoz, Espagne

Daniel Romero-Guzman & Amparo M. Gallardo-Moreno

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MJE, DR et JF ont conçu l'œuvre. MJE et DR ont conçu les expériences. MJE a réalisé les expériences et analysé les données. DR a effectué des simulations numériques. AGR et DRG ont effectué les mesures du potentiel zêta des surfaces planes. Tous les auteurs ont discuté des résultats et rédigé le manuscrit.

Correspondance à María J. Esplandiu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie les évaluateurs anonymes pour leur contribution à l'évaluation par les pairs de ce travail.

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Réimpressions et autorisations

Esplandiu, MJ, Reguera, D., Romero-Guzman, D. et al. Du pompage d'eau radial à unidirectionnel dans des nanostructures de Nafion modulées au potentiel zêta. Nat Commun 13, 2812 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30554-7

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Reçu : 04 août 2021

Accepté : 25 avril 2022

Publié: 19 mai 2022

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

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