-
Subject Areas :
Zahra
Talebpour
1
Zeinab
Zamani
2
Keywords: -,
Abstract :
-
1.Zhang X., Sun L., Yu Y., Zhao Y., Flexible Ferrofluids: Design and Applications, Advanced Materials, 31, 1–35, 2019.
2. Torres-Díaz I., Rinaldi C., Recent Progress in Ferrofluids Research: Novel Applications of Magnetically Controllable and Tunable Fluids, Soft Matter, 10, 8584–8602, 2014.
3. Romero Calvo Á., H. J. Hermans T., Cano Gómez G., Parrilla Benítez L., Ángel Herrada Gutiérrez M., Castro-Hernández E., Ferrofluid Dynamics in Microgravity Conditions, 2nd Symposium on Space Educational Activities, 42, 11-13, 2018.
4. V. I. Timonen J., Latikka M., Leibler L., H. A. Ras R., Ikkala O., Switchable Static and Dynamic self-assembly of Magnetic Droplets on Superhydrophobic Surfaces, Science, 341, 253–257, 2013.
5. Holm C., Weis J., The Structure of Ferrofluids: A status Report, Current Opinion in Colloid & Interface Science., 10, 133–140, 2005.
6. Gharehbaghi M., Davoudabadi Farahani M., Shemirani F., Dispersive Magnetic Solid Phase Extraction Based on an Ionic Liquid Ferrofluid, Analytical Methods, 6, 9258–9266, 2014.
7. Nayebi R., Shemirani F., Ferrofluids-based Microextraction Systems to Process Organic and Inorganic Targets: The State-of-the-art Advances and Applications, Trends in Analytical Chemistry, 138. 116-232, 2021.
8. Joseph A., Mathew S., Ferrofluids: Synthetic Strategies, Stabilization, Physicochemical Features, Characterization, and Applications, Chempluschem, 79, 1382–1420, 2014.
9. Khairul M. A., Doroodchi E., Azizian R., Moghtaderi B., Advanced Applications of Tunable Ferrofluids in Energy Systems and Energy Harvesters: A Critical Review, Energy Conversion and Management, 149, 660–674, 2017.
10. Khoramian S., Saeidifar M., Zamanian A., Saboury A.A., Synthesis and Characterization of Biocompatible Ferrofluid Based on Magnetite Nanoparticles and Its Effect on Immunoglobulin G as an Immune Protein, Journal of Molecular Liquids journal, 273, 326–338, 2019.
11. Karimzadeh I., Aghazadeh M., Dalvand A., Doroudi T., Kolivand H., Ganjali M., Norouzi P., Effective Electrosynthesis and in Situ Surface Coating of Fe3O4 Nanoparticles with Polyvinyl Alcohol for Biomedical Applications, Materials Research Innovations, 23, 1–8, 2019.
12. Yang C., Liu Z., Yu M., Bian X., Liquid Metal Ga-Sn Alloy Based Ferrofluids with Amorphous nano-sized Fe-Co-B Magnetic Particles, Journal of Materials Science, 55, 13303–13313, 2020.
13. Priyananda P., Sabouri H., Jain N., S. Hawkett B., Steric Stabilization of γ-Fe2O3 Superparamagnetic Nanoparticles in a Hydrophobic Ionic Liquid and the Magnetorheological Behavior of the Ferrofluid, Langmuir, 34, 3068–3075, 2018.
14. Kunz W., Häckl K., The hype with ionic liquids as solvents, Chemical Physics Letters journal, 661, 6–12, 2016.
15. Shamsipur M., Zohrabi P., Hashemi M., Application of a Supramolecular Solvent as the Carrier for Ferrofluid Based Liquid-phase Microextraction for Spectrofluorimetric Determination of Levofloxacin in Biological Samples, Analytical Methods, 7, 9609–9614, 2015.
16. Musarurwa H., Tawanda Tavengwa N., Supramolecular Solvent-based Micro-extraction of Pesticides in Food and Environmental Samples, Talanta, 223, 9609-9614, 2021.
17. Zohrabi P., Shamsipur M., Hashemi M., Hashemi B., Liquid-phase Microextraction of Organophosphorus Pesticides Using Supramolecular Solvent as a Carrier for Ferrofluid, Talanta, 340–346, 2016.
18. Cai T., Qiu H., Application of Deep Eutectic Solvents in Chromatography: A Review, Trends in Analytical Chemistry, 120, 115623, 2019.
19. Shishov A., Pochivalov A., Nugbienyo L., Andruch V., Bulatov A., Deep Eutectic Solvents are not Only Effective Extractants, Trends in Analytical Chemistry, 129, 115956, 2020.
20. Papell S. S., Low Viscosity Magnetic Fluid Obtained by the Colloidal Suspension of Magnetic Particles, Https://patents.google.com/patent/US3215572A/en, 1965.
21. Yu Y., Shang L., Gao W., Zhao Z., Wang H., Zhao Y., Microfluidic Lithography of Bioinspired Helical Micromotors., Angewandte Chemie, 56, 12127–12131, 2017.
22. Banerjee U., K. Sen A., Shape Evolution and Splitting of Ferrofluid Droplets on a Hydrophobic Surface in the Presence of a Magnetic Field, Soft Matter, 14, 2915–2922, 2018.
23. Kadau H., Schmitt M., Wenzel M., Wink C., Maier T., Ferrier-Barbut I., Pfau T., Observing the Rosensweig Instability of a Quantum Ferrofluid., Nature, 530, 194–197, 2016.
24. Shang L., Yu Y., Gao W., Wang Y., Qu L., Zhao Z., Chai R., Zhao Y., Bio-Inspired Anisotropic Wettability Surfaces from Dynamic Ferrofluid Assembled Templates, Advanced Functional Materials, 28, 1–8, 2018.
25. Peng Lee C., Hsin Chen Y., Feng Lai M., Ferrofluid-molding Method for Polymeric Microlens Arrays Fabrication, Microfluidics and Nanofluidics, 16, 179–186, 2014.
26. Ye Z., Sun Y., Zhang H., Song B., Dong B., A Phototactic Micromotor Based on Platinum Nanoparticle Decorated Carbon Nitride, Nanoscale, 9, 18516–18522, 2017.
27. Lu H., Zhang M., Yang Y., Huang Q., Fukuda T., Wang Z., Shen Y., A Bioinspired Multilegged Soft Millirobot that Functions in Both Dry and wet Conditions, Nature Communications, 9, 39-44, 2018.
28. Wang H., Zhao Z., Liu Y., Shao C., Bian F., Zhao Y., Biomimetic Enzyme Cascade Reaction System in Microfluidic Electrospray Microcapsules, Science Advances, 4, 1-7, 2018.
29. Zhang Y., Nguyen N., Magnetic Digital Microfluidics - A Review, Lab on a Chip, 17, 994–1008, 2017.
30. Yang R., Hou H., Wang Y., Fu L., Micro-magnetofluidics in Microfluidic Systems: A Review, Sensors and Actuators, B: Chemical, 224, 1–15, 2016.
31. Zhu T., Cheng R., R. Sheppard G., Locklin J., Mao L., Magnetic-Field-Assisted Fabrication and Manipulation of Nonspherical Polymer Particles in Ferrofluid-Based Droplet Microfluidics, Langmuir, 31, 8531–8534, 2015.
32. Wang Y., Wu R., B. Varma V., Wang Z., Seah Y.P., Wang Z., Wang R.V., Flowing label-free Bacteria Trapped by Small Magnetic Fields, Sensors and Actuators, B: Chemical, 260, 657–665, 2018.
33. Navi M., Abbasi N., Jeyhani M., Gnyawali V., S. H. Tsai S., Microfluidic diamagnetic water-in-water droplets: a biocompatible cell encapsulation and manipulation platform, Lab on a Chip, 18, 3361–3370, 2018.
34. Q. Alorabi A., D. Tarn M., Gómez-Pastora J., Bringas E., Ortiz I., N. Paunov V., Pamme N., On-chip Polyelectrolyte Coating onto Magnetic Droplets – towards Continuous Flow Assembly of Drug Delivery Capsules, Lab on a Chip, 17, 3785–3795, 2017.
35. Shi Z., Zhang Y., Kee Lee H., Ferrofluid-based Liquid-phase Microextraction., Journal of Chromatography. A, 1217, 7311–7315, 2010.
36. Corps Ricardo A., Abujaber F., Guzmán Bernardo F., C. Rodríguez Martín-Doimeadios R., Ríos Á., Magnetic Solid Phase Extraction as a Valuable Tool for Elemental Speciation Analysis, Trends in Environmental Analytical Chemistry, 27, e00097, 2020.
37. Kabeer M., Hakami Y., Asif M., Alrefaei T., Sajid M., Modern Solutions in Magnetic Analytical Extractions of Metals: A Review, Trends in Analytical Chemistry, 130, 115987, 2020.
38. Fasih Ramandi N., Shemirani F., Selective Ionic Liquid Ferrofluid Based Dispersive-solid Phase Extraction for Simultaneous Preconcentration/separation of Lead and Cadmium in Milk and Biological Samples, Talanta,131, 404–411, 2015.
39. Yang D., Li X., Meng D., Yang Y., Carbon Quantum Dots-modified Ferrofluid for Dispersive Solid-Phase Extraction of Phenolic Compounds in Water and Milk Samples, Journal of Molecular Liquids, 261, 155–161, 2018.
40. Yih Hui B., Zain N., Mohamad S., Varanusupakul P., Osman H., Raoov M., Poly (cyclodextrin-ionic Liquid) Based ferrofluid: A New Class of Magnetic Colloid for Dispersive Liquid Phase Microextraction of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons from Food samples Prior to GC-FID Analysis, Food Chemistry., 314, 126214, 2020.
زینب زمانی1 ، زهرا طالبپور2،*
1 تهـران، دانشـگاه الزهـرا(س)، دانشـکده فیزیـک وشـیمی، گروه شـیمی، دانشـجوی کارشناسـی ارشـد شـیمی تجزیه
2 تهران، دانشگاه الزهرا(س)، دانشکده فیزیک وشیمی، گروه شیمی، استاد شیمی تجزیه
چکیده...
مواد هوشمند، موادی هستند که رفتار خود را در پاسخ به محرکهای خاص به صورت سیستماتیک تغییر میدهند. فروسیالها دستهای از مواد هوشمند هستند، که رفتار آنها در حضور میدان مغناطیسی تغییر میکند. این مواد سوسپانسیونهای کلوییدی از نانوذرات فرومغناطیس در سیال حامل قطبی یا غیرقطبی هستند که از سه جزء اصلی نانوذرات مغناطیسی، عوامل پایدارکننده و مایع حامل تشکیل شدهاند. به منظور دستیابی به یک فروسیال با پایداری بالا، سازگاری بین اجزای آن همواره امری ضروری است. با توجه به کاربرد فروسیال، میتوان از انواع مختلفی از هر یک از این اجزاء استفاده کرد. این مواد، به دلیل دارا بودن خواص منحصر به فرد مانند ویژگیهای سوپرپارامغناطیس، رفتار مشابه مایع، خواص نوری و حرارتی قابل تنظیم و سازگاری با سایر مواد، توجه تعداد زیادی از محققان را به خود جلب کردهاند. در حال حاضر از فروسیالها در ساخت قالبهای پلیمری به طور گسترده استفاده میشود و در زمینههای مختلف مهندسی مانند درزگیرهای مغناطیسی، بلندگوها، سخت افزار کامپیوتر و هوا فضا، در حوزهی پزشکی در تحویل دارو برای گرما درمانی و تصویربرداری با تشدید مغناطیسی و در فرآیندفرایندهای جداسازی در سیستمهای سامانههای ریزسیال کاردبردهایی را به خود اختصاص میدهند. در این مقاله به بررسی فروسیالها، روش سنتز و برخی از کاربردهای آنها پرداخته میشود.
واژههای کلیدی: فروسیال، قالبهای پلیمری قابل تنظیم، میکرورباتها، سیستمهای سامانههای ریزسیال
*پست الکترونیکی مسئول مکاتبات:
1- مقدمه
از قرن گذشته تاكنون، تلاشهای بسیاری برای توسعهی مواد هوشمند با اندازههایي در حد میکرو یا نانو كه به محرکهای خارجی مانند عوامل شیمیایی، نور، دما، pH، نیروهای مکانیکی، مغناطیس و غیره واکنشهای سریع و حساس نشان ميدهند، انجام شده است]1[. یک دستهای از موادی که در این راستا به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، فروسیالها (Ferrofluids (FF)) هستند که واکنش قوی به میدانهای مغناطیسی خارجی نشان میدهند. امروزه این مواد هم در زمینه تحقیقات علمی و هم در زمینه تولید صنعتی مورد توجه روزافزون قرار گرفتهاند]2[.
در یک نگاهی کلی، فروسیالها سوسپانسیونهای کلوئیدی از نانوذرات فرومغناطیسی در مایعات حامل قطبی یا غیرقطبی هستند كه در اثر اعمال ميدان مغناطيسي به طور يكنواخت مغناطيس ميشوند]1[. تهیه و استفاده از فروسیالها اولین بار در سال 1960 توسط ناسا آغاز شد. آنها از اين مواد در سوخت موشک برای به حرکت درآوردن آن با میدان مغناطیسی در جاذبه صفر استفاده کردند ]3[.
از برجستهترین ویژگیهای فروسیالها دارا بودن ویژگیهای سوپرپارامغناطیسی و رفتار مشابه مایع به طور همزمان است که باعث میشود فروسیالها به میدانهای مغناطیسی به نسبت ضعیف پاسخ مغناطیسی قوی و سریع داشته باشند. این ویژگیها به همراه سازگاری فروسیالها با سایر مواد، آنها را برای کاربردهای مختلف، مورد توجه قرار داده است ]4و5[.
2- سنتز فروسیال
در سنتز فروسیال، از ذرات مغناطیسی، مواد پوشاننده و مایعات حامل مختلف استفاده میشود. انتخاب ترکیبات فروسیال به هدف استفاده آنها بستگی دارد. به طور معمول ترکیب یک فروسیال شامل ٪5٪ پودرهای مغناطیسی ، 10٪ عوامل تثبیت کننده و ٪85٪ مایع حامل است ]6[.
روش کلی سنتز برای تهیه فروسیال به این طریق است که سطح نانوذرات مغناطیسی تهیه شده ابتدا با یک ماده مناسب پوشانده میشوند و محلول ویسکوز گرانرو حاصل برای چند دقیقه به شدت تکان داده میشود. پس از اختلاط، محلول با افزودن سیال حامل، رقیق شده تا محلول کلوئیدی به دست آید. این محلول کلوئیدی برای دقایقی بیشتر تحت فراصوت قرار میگیرد تا فروسیال پایدار شود ]7[. شماتیکی طرحوارهای از مراحل سنتز فروسیال در شکل 1 نشان داده شده است. به منظور آشنايي با هر يك از اجزایء فروسيال، در ادامه به صورت جداگانه به آنها پرداخته میشود.
شکل 1 مراحل سنتز فروسیال.
1-2 نانوذرات مغناطیسی
مواد مختلفی به عنوان اجزایء مغناطیسی برای تولید فروسیال استفاده ميشود. انتخاب مواد مغناطیسی مختلف، به شدت عملکرد مغناطیسی فروسیال را تعیین میکند. به تازگی، تحقیقات قابل ملاحظهای در راستای استفاده از نانوذرات مغناطیسی فلز و اکسید فلز با توزیع اندازه خاصی انجام شده است. اما همچنان، فریتها، به ویژه مگنتیت (Magnetite)، بیشتر در تهیهی فروسیالها استفاده میشوند. سازگاری مناسب نانوذرات با مايع حامل و عوامل پوشاننده برای افزایش پایداری سیستم سامانه تعلیق، ضروری است ]8[.
2-2 مواد پوشش سطحی
رفتار ذرات مغناطیسی میتواند تحت تاثیر تأثیر محیط اطراف قرار گیرد. همچنین رسوبگذاری و تجمع، دو پدیدهی مهم مربوط به ثبات فروسیالها هستند. به همین منظور از عوامل پایدارکننده مانند مواد پوشش دهندهی سطح اعم از سیلیکا، اولئیک اسید، پلی اتیلن نگلیکول و دکستران، استفاده میشود ]9[.
مواد پوشش دهندهي سطح، پایداری فیزیکی و شیمیایی نانوذرات مغناطیسی را با افزایش حلالیت ذرات در سیال پایه و جلوگیری از اکسیداسیون اکسایش سطح آنها بهبود میبخشند ]7[. این مواد باید با توجه به ویژگیهای دی الکتریک مایع حامل انتخاب شوند. یکی از راههای پایداری نانوذرات استفاده از مواد فعال سطحی (surfactant) هست که در این حالت به فروسیال حاصل، فروسیال پوشانده شده با مادهی فعال سطحی (Surfacted ferrofluid (SFF)) میگویند. در SFF، ذرات مغناطیسی با مواد فعال سطحی پوشانده میشوند تا از تجمع آنها جلوگیری شود. مواد فعال سطحی مختلف، متفاوت عمل میکنند، اما در اصل این مواد، پوستهای در اطراف نانوذره ایجاد میکنند، که سایر ذرات روکشدار را دفع کند ]10[. سوسپانسیون کلوئیدی سنتز شدهی جدید، ویژگیهایی را در کاربردهای مختلف از خود نشان میدهند ]11[.
3-2 سیال حامل
جدا از سنتز و پایداری نانوذرات مغناطیسی، آماده سازی فروسیال به محیطی نیاز دارد که در آن پودرهای مغناطیسی قابل تعلیق باشند. مایعات حامل این محیط را تأمین میکنند. ثبات فروسیال با نوع مايع حامل ارتباط تنگاتنگی دارد. مایع حامل مناسب باید برخی از الزامات را برای دستیابی به فروسیال پایدار برآورده کند. فشار بخار، دمای جوش و نقطه انجماد، پارامترهای مهمی هستند که براساس هدف استفاده از فروسیال هنگام انتخاب مایع باید به آنها توجه کرد. همچنین، مایع انتخاب شده باید با فاز مغناطیسی واکنش پذیر نباشد ]12[.
با توجه به اینکه استفاده از حلالهای آلی به دلیل سمی بودن آنها برای محیط زیست مشکل ساز است، برخی از محققان مایعات یونی (Ionic Liquids (ILs)) را به عنوان مایع حامل در فروسیالها استفاده کردهاند ]13[. اولین فروسیال تهیه شده بر اساس پراکندگی نانوذرات ماگمیت (Maghemite) و فریت کبالت در IL ها، در سال 2009 انجام شد ]7[. علیرغم باوجود ویژگیهای منحصر به فرد IL ها، مانند پایداری حرارتی خوب، حلالیت قابل تنظیم و فشار بخار ناچیز، آنها از محدودیتهایی مانند هزینهی بالا، تجزیه پذیری پایین، سمیت و مسیر پیچیده سنتز رنج میبرند]14[. برخی از مطالعات نشان دادهاند که با جایگزینی حلالهای فوق مولکولی (Supramolecular solvent (SUPRAS)) میتوان این اشکالات را برطرف کرد ]15[. حلال فوق مولکولی یک مایع نانوساختار غیر قابل امتزاج در آب است که از طریق پدیدههای خود به خودی و متوالی فرآیندفرایند خودآرایی با تغییر قدرت یونی، دما و pH مولکولهای دوگانه دوست (Amphiphile) تولید میشود. این حلالها از مواد فعال سطحی سازگار با محیط زیست و ارزان قیمت بدون نیاز به هیچ گونه عملیات پیچیده یا دستگاه خاصی ساخته میشوند ]16[. SUPRASها، علاوه بر اینکه باعث ایجاد خواص مشابه مایع در فروسیال میشوندمیشوند، یک لایه محافظتی نیز در اطراف نانوذرات ایجاد میکنند که از تجمع نانوذرات جلوگیری کرده و ثبات فروسیالها را بهبود میبخشند ]17[.
حلالهای دیگری که به عنوان جایگزین سبز برای حلالهای آلی سمی معرفی شدهاند، حلالهای یوتکتیک عمیق (Deep eutectic solvent (DES)) هستند. DES یک حلال سازگار با محیط زیست است که به دلیل داشتن خواص برجستهای مانند تجزیهپذیری زیستی، فراریت کم، سمیت کم، پایداری، قابلیت حل شدن خوب، هزینه کم و روش آماده سازی ساده، به عنوان مایع یونی سبز طبقه بندی میشود. DES ها به طور معمول مخلوطی از دو یا چند پیش مادهی غیرسمی یا کمتر سمی با نقطه ذوب بسیار پایینتر از ترکیبات تشکیل دهنده آنها هستند. حلالهای DES از ترکیب مواد دهندهی پیوند هیدروژنی (HBD) و پذیرندهی پیوند هیدروژنی (HBA) تشکیل میشوند که حاوی انواع گونههای کاتیونی یا آنیونی هستند ]18[. خواص قابل تنظیم DES آنها را به یک کاندیدایگزینهی امیدوارکنندهای در فروسیالها تبدیل میکند که به طور همزمان هم باعث ایجاد خواص مایع مانند و هم افزایش پایداری فروسیال میشود ]19[.
3- کاربردهای فروسیالات
از اوایل دهه 1960، کنترل و دستکاری خواص و رفتار فروسیالها با استفاده از میدان مغناطیسی خارجی یک موضوع امیدوارکننده برای کاربردهای پیشرفته بوده است ]20[. بر اساس پیشرفت چشمگیر در جنبههای نظری و فنی، زمینههای کاربرد فروسیالات تا حد زیادی گسترش یافته است.
فروسیالها دارای کاربردهای بسیاری در زمینههای مختلف مهندسی، پزشکی و جداسازی هستند. همچنین محققان از ویژگی فروسیالها و ترکیب آنها با مواد نوری یا پلیمری، برای ایجاد انواع مختلفی از مواد کامپوزیت مانند قالبهای پلیمری و میکرو رباتها استفاده کردند ]21[. در شکل 2، تعدادی از این کاربردها آورده شده است. در ادامه به برخي از این كاربردها به خصوص در صنايع پليمري اشاره ميشود.
کاربردهای فروسیال |
- تحویل دارو - روش تصویربرداری با تشدید مغناطیسی |
- قالبهای پلیمری قابل تنظیم - میکرورباتها |
- سیستمهای ریزسیال - روشهای استخراجی |
- درزگیرهای مغناطیسی - بلندگوهای دینامیک |
شکل 2 برخی از کاربردهای فروسیالها.
1-3 ایجاد قالبهای پلیمری قابل تنظیم توسط فروسیالها
زمانیکه یک قطرهی فروسیال روی یک سطح آبگریز و در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی مثل مگنت قرار گیرد، به شکل قطرات مخروطی تغيير شكل میدهد و در نزدیکی میدان، شکاف قطره دیده میشود (شکل 3 الف)]4و22[. این اتفاق به دلیل " «ناپایداری در میدان عمودی»" در فروسیال رخ میدهد ]23[. این الگوی قطرهای توسط میدان مغناطیسی خارجی قابل کنترل است ]24[. با تغییر فاصلهی بین مگنت و فروسیال برای تنظیم قدرت میدان مغناطیسی، طول قطرات تغییر میکنند. زمانیکه این فاصله کاهش مییابد، میدان مغناطیسی شدت بیشتری دارد؛ بنابراین قطرات به طور عمودی کشیده و نوک قطرات تیزتر میشوند. در شکل 3 ب و ج به ترتیب تصاویر نوری از تقسیم قطرات فروسیال و طرح الگوی پیچیدهی آنها نشان داده شده است. علاوه براین، از آنجا که قطرات تمایل دارند، در امتداد خط القایی مغناطیسی قرار گیرند، زمانیکه میدان مغناطیسی از محور اصلی خود به سمت پایین بچرخد، قطرات بلافاصله به سمت سطح عرضی کج میشوند (شکل 3 د). با این رویکرد، الگوهای متعددی از قطرات فروسیال ایجاد میشود.
شکل 3 پاسخ دینامیک قطرات فروسیال به میدان مغناطیسی خارجی الف) طرح تقسیم قطرات فروسیال تحت میدان مغناطیسی (شدت میدان از 1 به 4 افزایش مییابد)، ب) تصاویر نوری تقسیم قطرات فروسیال، ج) طرح الگوهای پیچیده تقسیم قطرات فروسیال و د) شکل قطرات در میدان مغناطیسی شیب دار با جهت گیری های مختلف ]4[.
بر این اساس، Luoran Shang و همکارانش یک روش ساده برای ساخت یک بستر پلیمری از طریق قالبهای مونتاژ شدهی فروسیال EFH1 (فروسیالی است که سیال حامل آن، یک هیدروکربن سبک است) ارائه دادند ]24[. در این بررسی، یک قطره فروسیال برپایهی یک حلال آلی بر روی یک بستر غوطه ور شده در یک محیط پیش پلیمری غیر قابل امتزاج و غیر مغناطیسی قرار میگیرد. هنگامیکه یک آهنربای استوانهای بزرگ در زیر بستر قرار گیرد، یک میدان مغناطیسی عمودی نسبتاً همگنی ایجاد شده و فروسیال طبق نکاتی که چندی پیشپیشتر به آن اشاره شد، به یک آرایه منظمی از قطرات مخروطی تبدیل میشود ( شکل 4 الف). با چرخش آهنربا به سمت پایین، میدان مغناطیسی از جهت محور طولی اصلی خود به سمت صفحه عرضی به پایین متمایل میشود ( شکل 4 ب). سپس، با جامد کردن بستر پیش پلیمری تحت اشعهی فرابنفش و شستن قطرات فروسیال، ساختار معکوس الگوی قطرات فروسیال روی پلیمر منتقل میشود. در نهایت، پلیمر حاصل به عنوان یک قالبی برای ساخت ریزآرایهها با کاربردهای مختلف مانند دستکاری قطرات و میکرواپتیکها استفاده میشود ]25[.
شکل 4 الف) تشکیل قطرات مخروطی در اثر اعمال یک میدان مغناطیسی عمودی ب) چرخش قطرات به سمت پایین با تغییر جهت میدان مغناطیسی از محور اصلی خود و ج) بستر پلیمری حاصل ]24[.
3-2 ایجاد رباتهای نرم با پاسخ مغناطیسی توسط فروسیالها
با ترکیب مزایای فروسیالها و مواد نرم میتوان رباتهای نرم با پاسخ مغناطیسی با شکلهای مختلف ساخت و به طور گسترده از آنها استفاده نمود کرد ]26[. در جدول 1 به برخی از رباتهای نرم واکنشگر مغناطیسی ستونی، مارپیچ و مژه مانند که بر اساس هندسه طبقهبندی شدهاند، اشاره شده است. این رباتها به طور گسترده در تحویل دارو، خالصسازی آب، انتقال نوری و ... استفاده میشوند ]1[.
جدول 1 رباتهای نرم با پاسخ مغناطیسی ]1[.
هندسه | جزء پلیمری |
| عملکرد |
مژه | پلی | قالب | کنترل جریان، حسگر، دستکاری بدون اتصال، حمل |
ستونی | پلی | قالب | دستگاه |
مارپیچ | ژلاتین متاکریلویل، پلی |
| دستگاههای هدف |
Haojian Lu و همکاران، یک میلی ربات نرم با چندین پای مژه مانند ساختهاند. این میلی ربات نرم چندپایی با جامد کردن مخلوط پلی دی متیل سیلوکسان، هگزان و ذرات فرومغناطیس تحت میدان مغناطیسی تولید میشود میشود ]27[. شکل 5 الف، فرآیندفرایند ساخت میکروربات حاصل را نشان میدهد. در این فرآیندفرایند از پلی دی متیل سیلوکسان به دلیل زیست سازگاری بالا، خاصیت ارتجایی عالی و فوق آبگریز بودن، به عنوان بستر رباتها استفاده شده است. در ابتدا، مخلوطی از پیش پلیمر پلی دی متیل سیلوکسان، هگزان و ذرات مغناطیسی، تهیه شده و روی یک صفحهی پلی استایرنی به خوبی توزیع میشود. سپس، یک مگنت در زیر صفحهی پلی استایرن قرار میگیرد تا در حضور میدان، پایههای کوچک مخروطی شکل ایجاد شود. پس از تشکیل پایهها، به منظور جامد شدن پلی دی متیل سیلوکسان، صفحهی پلی استایرن به مدت 1 ساعت تحت دمای 80 درجه قرار میگیرد. مدهای حرکتی ربات حاصل با استفاده از آهنربای دائمی به طور دقیق از راه دور قابل تنظیم است. همانطور که در شکل 5 ب تا د دیده میشود، چنین رباتهایی در هنگام حمل بارهای سنگین یا غلبه بر موانع از قابلیت حرکت فوق العادهای برخوردار هستند، بنابراین در طیف وسیعی از کاربردها از جمله تشخیص در مناطق با دسترسی ضعیف و حمل و نقل پزشکی در داخل بدن قابل استفاده هستند.
شکل 5 میلی ربات نرم با پاسخ مغناطیسی با چندین پایه مژه مانند: الف) طرح فرآیندفرایند ساخت، ب) حرکت ربات روی سطح مرطوب با لایه مایع، ج) حرکت ربات با بارگذاری خارجی و د( عبور ربات از موانع ]27[.
3-3 استفاده از فروسیالها در سیستمهای سامانههای ریزسیال
ریزسیالها به طور معمول به عنوان یک فناوری نوظهور برای مدیریت و کنترل سیالها در مقیاس نانولیتر تا میکرولیتر شناخته میشوند و میتوان آنها را به عنوان ریزسیالهاي جریان پیوسته و ریزسیالهاي دیجیتال طبقهبندی کرد ]28[. به همین طریق، ریزسیالهاي مغناطیسی را نیز میتوان به ریزسیالهاي مغناطیسی جریان پیوسته و دیجیتال تقسیم کرد که در هر دو، میدان مغناطیسی به عنوان یک عامل تحریک و مواد مغناطیسی به عنوان اجسام محرک وجود دارند ]1[.
ریزسیالهای مغناطیسی جریان پیوسته، با کمک نیروهای مغناطیسی معمولاً با جریانها یا قطرات پیوستهی پیوستهی تولید شده سروکار دارند ]29[. ورود فروسیالها در ریزسیالهاي جریان پيوسته اختلاط، پمپاژ، تمرکز و تشکیل قطرات را تسهیل میکند ]30[. در این سیستمسامانه، فروسیال میتواند به عنوان یک فاز پراکنده یا یک فاز پیوسته باشد.
به عنوان یک فاز پراکنده، فروسیال هم اثر مگنتو ویسکوز گرانرو (افزایش میدان مغناطیسی باعث افزایش ویسکوزیتهی گرانروی سیال و ایجاد قطرات بزرگتر میشود) و هم اثر کشش مغناطیسی (افزایش کشش مغناطیسی باعث ایجاد قطرات کوچکتر میشود) را تجربه میکند ]1[. تاثیر تأثیر همزمانی این دو عامل باعث ایجاد قطرات با اندازههای یکنواخت میشود، اما اگر یکی از این دو عامل بر دیگری غلبه کند، قطراتی با اندازههای بزرگتر یا کوچکتر ایجاد میشوند. به عنوان یک فاز پیوسته، فروسیال میتواند ساخت قطرات پلیمری را تسهیل کرده، شکل قطرات را تنظیم نموده کرده و توسط یک میدان مغناطیسی طراحی شده، قطرات را در زنجیرهایی با طول معین، جمع کند ]31[. بر اساس ریزسیال مغناطیسی جریان پیوسته، پلتفرمهای متعددی برای به دام انداختن موجودات بیولوژیکی زیستی ]32[، محصور سازی و جداسازی سلولها ]33[ و ایجاد میکروکپسول ]34[ ساخته شده است.
به طور مثال Navi و همکاران، یک پلتفرم ریزسیالی مغناطیسی را با کاربرد محصورسازی سلولها، جداسازی و دستکاری آنها ارائه دادند ]33[. در این پلتفرم، سلولها ابتدا از طریق یک سیستمسامانه دو فازی آبی با قطرات دکستران محصور شدند و هر دو نوع قطرات خالی و قطرات دارای سلول با استفاده از مخلوط کوپلیمر 3 بلاکه PEG-PPG-PEG و فروسیال EMG-607 (یک فروسیال برپایهی آب به همراه مادهی فعال سطحی کاتیونی) به عنوان فاز پیوسته، وارد یک کانال گسترده شدند. به دلیل مغناطیسی شدن فروسیال و وجود یک میدان مغناطیسی گرادیانی، مغناطیس محیط تقویت میشود و در این بین، قطرات دارای سلول که اندازهی بزرگتری دارند، بیشتر از قطرات خالی منحرف میشوند و جداسازی اتفاق میافتد. شکل 6 شماتیکی ازطرحوارهی فرآیندفرایند جداسازی در این ریزسیال را نشان میدهد.
شکل6 فرآیندفرایند کپسول سازی و جداسازی سلولی ]33[.
4-3 استفاده از فروسیالها در روشهای آماده سازی نمونه
اغلب برای آنالیز تحلیل آنالیتها نمونهها به خصوص در مقادیر بسیار کم در نمونههای مختلف به دلیل وجود بافتهای پیچیده و حضور مزاحمتهای مختلف، به مراحل آماده سازی نمونه نیاز است. یکی از این مراحل، روشهای استخراجی است. استفاده از تکنیکهای فنون ریز استخراج به دلیل نزدیکتر شدن به شیمی سبز و کوتاهتر شدن زمان استخراج از اهمیت ویژهای برخوردار هستند. اما این روشها نیز مشکلاتی را به همراه دارند.
به طور مثال جداسازی حلال استخراجی در روش ریز استخراج فاز مایع Liquid phase microextraction (LPME)) نیاز به یک مرحله سانتریفیوژ دارد که باعث طولانی شدن زمان روش استخراجی میشود. همچنین، جداسازی جاذب در روش استخراج فاز جامد پخشی (Dispersive solid phase extraction (d-SPE)) هم مشکلساز است و یک چالشی در روشهای استخراجی به حساب میآید ]35[. بنابراین دانشمندان تکنیکهای فنون استخراجی را با جاذبهای مغناطیسی ترکیب کردهاند تا پس از فرآیندفرایند استخراج بتوان آنها را به راحتی بازیابی کرد ]36[.
فروسیالها برای اولین بار در سال 2010 در روشهای ریزاستخراجی استفاده شدند. از مزایای استفاده از فروسیالات در روشهای استخراجی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- از آنجاييکه فروسیالها دارای ویژگیهای سیال و جاذبهای مغناطیسی به صورت همزمان هستند، مواد مهمی برای استخراجهای تجزیهای به حساب میآیند. مزیت بارز این ویژگی این است که مایع را میتوان با کمک موقعیت و قدرت میدان مغناطیسی جابهجا کرد. بنابراین، فروسیال میتواند در نقطه مورد نظر، بسیار دقیق، قرار گیرد.
- میتوان فروسیالها را به سرعت در فاز آبی تزریق کرد. بنابراین، سطح وسیعی از ذرات در معرض آنالیتها قرار میگیرد و سینتیک استخراج تسریع شده و زمان استخراج کاهش مییابد ]37[.
- استفاده از ابزارهای خاص یا سایر تجهیزات پیچیده را قبل از تشخیص حذف میکنند. ]38[
Dezhi Yang و همکاران از یک فروسیال متشکل از نانوکامپوزیت Fe3O4-OA/CQDs و مایع یونی به عنوان سیال حامل در یک روش d-SPE برای استخراج ترکیبات فنولی از نمونههای آب و شیر استفاده کردند ]39[. همانطورکه در شکل 7 نشان داده شده است، استفاده از فروسیال حاوی نانوذرات مغناطیسی پوشانده شده با اولئیک اسید (OA) و اصلاح شده با نقاط کوانتومی کربن (Carbon Quantum Dots (CQDs)) (فروسیال 2) نسبت به زمانیکه از فروسیال حاوی نانوذرات به همراه اولئیک اسید استفاده میشود (فروسیال 1)، بهبود در پراکندگی فروسیال و به دنبال آن بهبود در کارایی استخراج را به همراه دارد. از طرفی به طور کلی، هنگام استفاده از فروسیال نسبت به حالتیکه از جاذب مغناطیسی (Fe3O4-OA)) یا ((Fe3O4-OA/CQDs) به تنهایی استفاده میشود، کارایی استخراج به طور قابل ملاحظهای بهبود مییابد.
شکل 7 مقایسهی کارایی استخراج در استفاده از جاذب مغناطیسی و فروسیال ]39[.
با توجه به این یافتهها، در حال حاضر فروسیالها به طور گسترده به عنوان موادی قدرتمند برای مقابله با چالشهای پیش رو در LPME و d-SPE معمولی پذیرفته شده اند ]38[.
همچنین، استفاده از مواد پلیمری مناسب به عنوان پوششی برای نانوذرات مغناطیسی در فروسیال در هر دو روش LPME و SPME، باعث افزایش کارایی فرآیندفرایندهای استخراجی میشود. به طور مثال، Boon Yih Hui و همکاران در یک روش ریزاستخراج فاز مایع پخشی، از فروسیالی متشکل از نانوذرات مغناطیسی (Fe3O4) پوشانده شده با پلیمر بتا-سیکلو دکسترین عامل دار شده با یک مایع یونی (Poly(cyclodextrin-ionic liquid)@Fe3O4) و یک حلال SUPRASs غیرقطبی به عنوان سیال حامل، به منظور استخراج هیدروکربنهای آروماتیک چندحلقهای از نمونههای غذایی استفاده کردند ]40[. به طور کلی، پلیمر βCD-IL به دلیل برهمکنشهای برهمکنشهای آبگریز و π→π میتواند یک انتخابی عالی به عنوان مواد پوششی باشد. برهمکنشهای آبگریز بین SUPRASs و حفرات بتا سیکلو دکسترین، باعث بهبود شرایط استخراج با فروسیال میشود.
4- نتیجه گیری
در این مقاله به بررسی دستهای از مواد هوشمند پاسخگو به میدان مغناطیسی تحت عنوان فروسیالها، خصوصیات و کاربردهای آنها به خصوص در صنایع پلیمری پرداخته شد. از آنجا که فروسیالها سوسپانسیونهای سوسپانسیونهای کلوییدی از ذرات مغناطیسی در ابعاد نانو هستند، خواص ترموفیزیکی منحصر به فردی را از خود نشان میدهند و از گذشته تاکنون دامنهی کاربردی گستردهای را در زمینههای مختلف مهندسی تا پزشکی به خود اختصاص دادهاند و همچنان هم در حال تکامل در زمینههای مختلف هستند. خواص مغناطیسی قابل تنظیم فروسیالها، آنها را برای استفاده در صنایع پلیمری مناسب میسازد. همچنین ادغام این مواد با سیستمهای سامانههای ریزسیال، کاربردهایی را در زمینهی دستکاری قطرات و سیالها به خود اختصاص میدهد. ویژگیهای فیزیکوشیمیایی فروسیالها را میتوان به راحتی با تغییر نوع نانوذرات مغناطیسی، عوامل پوشاننده و مایعات حامل تغییر داد. بدیهی است انتخاب سیال حامل مناسب در دستیابی به یک فروسیال پایدار، همواره امری مهم تلقی میشود. بهبود در درک فیزیک، شیمی و علم مواد در فروسیالها، به توسعهی این دسته از مواد و ایجاد دستگاههای مبتنی بر فناوری هوشمند، کمک میکند. همچنان لازم است، در مورد شکلگیری این مواد و نیز کارایی آنها در کاربردهای متفاوت، تحقیقاتی صورت گیرد. انتظار میرود این مواد منحصر به فرد با خواص غیر معمول خود همگام با اختراعات آینده باشند.
مراجع
1. Zhang X., Sun L., Yu Y., Zhao Y., Flexible Ferrofluids: Design and Applications, Advanced Materials, 31, 1–35, 2019.
2. Torres-Díaz I., Rinaldi C., Recent progress in ferrofluids research: Novel applications of magnetically controllable and tunable fluids, Soft Matter, 10, 8584–8602, 2014.
3. Romero Calvo Á., H. J. Hermans T., Cano Gómez G., Parrilla Benítez L., Ángel Herrada Gutiérrez M., Castro-Hernández E., Ferrofluid Dynamics in Microgravity Conditions, 2nd Symposium on Space Educational Activities, 42, 11-13, 2018.
4. V. I. Timonen J., Latikka M., Leibler L., H. A. Ras R., Ikkala O., Switchable static and dynamic self-assembly of magnetic droplets on superhydrophobic surfaces, Science, 341, 253–257, 2013.
5. Holm C., Weis J., The structure of ferrofluids: A status report, Current Opinion in Colloid & Interface Science., 10, 133–140, 2005.
6. Gharehbaghi M., Davoudabadi Farahani M., Shemirani F., Dispersive magnetic solid phase extraction based on an ionic liquid ferrofluid, Analytical Methods, 6, 9258–9266, 2014.
7. Nayebi R., Shemirani F., Ferrofluids-based microextraction systems to process organic and inorganic targets: The state-of-the-art advances and applications, Trends in Analytical Chemistry, 138. 116-232, 2021.
8. Joseph A., Mathew S., Ferrofluids: Synthetic Strategies, Stabilization, Physicochemical Features, Characterization, and Applications, Chempluschem, 79, 1382–1420, 2014.
9. Khairul M. A., Doroodchi E., Azizian R., Moghtaderi B., Advanced applications of tunable ferrofluids in energy systems and energy harvesters: A critical review, Energy Conversion and Management, 149, 660–674, 2017.
10. Khoramian S., Saeidifar M., Zamanian A., Saboury A.A., Synthesis and characterization of biocompatible ferrofluid based on magnetite nanoparticles and its effect on immunoglobulin G as an immune protein, Journal of Molecular Liquids journal, 273, 326–338, 2019.
11. Karimzadeh I., Aghazadeh M., Dalvand A., Doroudi T., Kolivand H., Ganjali M., Norouzi P., Effective electrosynthesis and in situ surface coating of Fe3O4 nanoparticles with polyvinyl alcohol for biomedical applications, Materials Research Innovations, 23, 1–8, 2019.
12. Yang C., Liu Z., Yu M., Bian X., Liquid metal Ga-Sn alloy based ferrofluids with amorphous nano-sized Fe-Co-B magnetic particles, Journal of Materials Science, 55, 13303–13313, 2020.
13. Priyananda P., Sabouri H., Jain N., S. Hawkett B., Steric Stabilization of γ-Fe2O3 Superparamagnetic Nanoparticles in a Hydrophobic Ionic Liquid and the Magnetorheological Behavior of the Ferrofluid, Langmuir, 34, 3068–3075, 2018.
14. Kunz W., Häckl K., The hype with ionic liquids as solvents, Chemical Physics Letters journal, 661, 6–12, 2016.
15. Shamsipur M., Zohrabi P., Hashemi M., Application of a supramolecular solvent as the carrier for ferrofluid based liquid-phase microextraction for spectrofluorimetric determination of levofloxacin in biological samples, Analytical Methods, 7, 9609–9614, 2015.
16. Musarurwa H., Tawanda Tavengwa N., Supramolecular solvent-based micro-extraction of pesticides in food and environmental samples, Talanta, 223, 9609-9614, 2021.
17. Zohrabi P., Shamsipur M., Hashemi M., Hashemi B., Liquid-phase microextraction of organophosphorus pesticides using supramolecular solvent as a carrier for ferrofluid, Talanta, 340–346, 2016.
18. Cai T., Qiu H., Application of deep eutectic solvents in chromatography: A review, Trends in Analytical Chemistry, 120, 115623, 2019.
19. Shishov A., Pochivalov A., Nugbienyo L., Andruch V., Bulatov A., Deep eutectic solvents are not only effective extractants, Trends in Analytical Chemistry, 129, 115956, 2020.
20. Papell S. S., Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles, https://patents.google.com/patent/US3215572A/en, 1965.
21. Yu Y., Shang L., Gao W., Zhao Z., Wang H., Zhao Y., Microfluidic Lithography of Bioinspired Helical Micromotors., Angewandte Chemie, 56, 12127–12131, 2017.
22. Banerjee U., K. Sen A., Shape evolution and splitting of ferrofluid droplets on a hydrophobic surface in the presence of a magnetic field, Soft Matter, 14, 2915–2922, 2018.
23. Kadau H., Schmitt M., Wenzel M., Wink C., Maier T., Ferrier-Barbut I., Pfau T., Observing the Rosensweig instability of a quantum ferrofluid., Nature, 530, 194–197, 2016.
24. Shang L., Yu Y., Gao W., Wang Y., Qu L., Zhao Z., Chai R., Zhao Y., Bio-Inspired Anisotropic Wettability Surfaces from Dynamic Ferrofluid Assembled Templates, Advanced Functional Materials, 28, 1–8, 2018.
25. Peng Lee C., Hsin Chen Y., Feng Lai M., Ferrofluid-molding method for polymeric microlens arrays fabrication, Microfluidics and Nanofluidics, 16, 179–186, 2014.
26. Ye Z., Sun Y., Zhang H., Song B., Dong B., A phototactic micromotor based on platinum nanoparticle decorated carbon nitride, Nanoscale, 9, 18516–18522, 2017.
27. Lu H., Zhang M., Yang Y., Huang Q., Fukuda T., Wang Z., Shen Y., A bioinspired multilegged soft millirobot that functions in both dry and wet conditions, Nature Communications, 9, 39-44, 2018.
28. Wang H., Zhao Z., Liu Y., Shao C., Bian F., Zhao Y., Biomimetic enzyme cascade reaction system in microfluidic electrospray microcapsules, Science advances, 4, 1-7, 2018.
29. Zhang Y., Nguyen N., Magnetic digital microfluidics - a review, Lab on a Chip, 17, 994–1008, 2017.
30. Yang R., Hou H., Wang Y., Fu L., Micro-magnetofluidics in microfluidic systems: A review, Sensors and Actuators, B: Chemical, 224, 1–15, 2016.
31. Zhu T., Cheng R., R. Sheppard G., Locklin J., Mao L., Magnetic-Field-Assisted Fabrication and Manipulation of Nonspherical Polymer Particles in Ferrofluid-Based Droplet Microfluidics, Langmuir, 31, 8531–8534, 2015.
32. Wang Y., Wu R., B. Varma V., Wang Z., Seah Y.P., Wang Z., Wang R.V., Flowing label-free bacteria trapped by small magnetic fields, Sensors and Actuators, B: Chemical, 260, 657–665, 2018.
33. Navi M., Abbasi N., Jeyhani M., Gnyawali V., S. H. Tsai S., Microfluidic diamagnetic water-in-water droplets: a biocompatible cell encapsulation and manipulation platform, Lab on a Chip, 18, 3361–3370, 2018.
34. Q. Alorabi A., D. Tarn M., Gómez-Pastora J., Bringas E., Ortiz I., N. Paunov V., Pamme N., On-chip polyelectrolyte coating onto magnetic droplets – towards continuous flow assembly of drug delivery capsules, Lab on a Chip, 17, 3785–3795, 2017.
35. Shi Z., Zhang Y., Kee Lee H., Ferrofluid-based liquid-phase microextraction., Journal of chromatography. A, 1217, 7311–7315, 2010.
36. Corps Ricardo A., Abujaber F., Guzmán Bernardo F., C. Rodríguez Martín-Doimeadios R., Ríos Á., Magnetic solid phase extraction as a valuable tool for elemental speciation analysis, Trends in Environmental Analytical Chemistry, 27, e00097, 2020.
37. Kabeer M., Hakami Y., Asif M., Alrefaei T., Sajid M., Modern solutions in magnetic analytical extractions of metals: A review, Trends in Analytical Chemistry, 130, 115987, 2020.
38. Fasih Ramandi N., Shemirani F., Selective ionic liquid ferrofluid based dispersive-solid phase extraction for simultaneous preconcentration/separation of lead and cadmium in milk and biological samples, Talanta,131, 404–411, 2015.
39. Yang D., Li X., Meng D., Yang Y., Carbon quantum dots-modified ferrofluid for dispersive solid-phase extraction of phenolic compounds in water and milk samples, Journal of Molecular Liquids, 261, 155–161, 2018.
40. Yih Hui B., Zain N., Mohamad S., Varanusupakul P., Osman H., Raoov M., Poly (cyclodextrin-ionic liquid) based ferrofluid: A new class of magnetic colloid for dispersive liquid phase microextraction of polycyclic aromatic hydrocarbons from food samples prior to GC-FID analysis, Food Chemistry., 314, 126214, 2020.