From radial to unidirectional water pumping in zeta-potential modulated Nafion nanostructures

Abstract

Chemically propelled micropumps are promising wireless systems to autonomously drive fluid flows for many applications. However, many of these systems are activated by nocuous chemical fuels, cannot operate at high salt concentrations, or have difficulty for controlling flow directionality. In this work we report on a self-driven polymer micropump fueled by salt which can trigger both radial and unidirectional fluid flows. The micropump is based on the cation-exchanger Nafion, which produces chemical gradients and local electric fields capable to trigger interfacial electroosmotic flows. Unidirectional pumping is predicted by simulations and achieved experimentally by nanostructuring Nafion into microarrays with a fine tune modulation of surrounding surface zeta potentials. Nafion micropumps work in a wide range of salt concentrations, are reusable, and can be fueled by different salt cations. We demonstrate that they work with the common water-contaminant cadmium, using the own capture of this ion as fuel to drive fluid pumping. Thus, this system has potential for efficient and fast water purification strategies for environmental remediation. Unidirectional Nafion pumps also hold promise for effective analyte delivery or preconcentration for (bio)sensing assays.

Las microbombas de propulsión química son sistemas inalámbricos prometedores para impulsar de forma autónoma flujos de fluidos en muchas aplicaciones. Sin embargo, muchos de estos sistemas se activan mediante combustibles químicos nocivos, no pueden funcionar a altas concentraciones de sal o tienen dificultades para controlar la direccionalidad del flujo. En este trabajo presentamos una microbomba polimérica autoaccionada alimentada con sal que puede activar flujos de fluidos tanto radiales como unidireccionales. La microbomba se basa en el intercambiador de cationes Nafion, que produce gradientes químicos y campos eléctricos locales capaces de desencadenar flujos electroosmóticos interfaciales. El bombeo unidireccional se predice mediante simulaciones y se consigue experimentalmente nanoestructurando el Nafion en microarrays con una modulación precisa de los potenciales zeta de la superficie circundante. Las microbombas de nafión funcionan en una amplia gama de concentraciones salinas, son reutilizables y pueden alimentarse con distintos cationes salinos. Demostramos que funcionan con el cadmio, contaminante habitual del agua, utilizando la propia captura de este ion como combustible para impulsar el bombeo del fluido. Así, este sistema tiene potencial para estrategias eficientes y rápidas de purificación de agua para la remediación ambiental. Las bombas unidireccionales de Nafion también son prometedoras para el suministro eficaz de analitos o la preconcentración para ensayos de (bio)detección.