One of the emerging methods in the application area of microfluidic device is the dielectrophoresis (DEP)-induced separation technique. For the purpose of manipulating and separating the particles, this method has advantages such as non-destructive and scalable. Thus, there have been a growing number of investigations about the application of this method.
Recently, noticeable research in this area was to separate metallic single-walled carbon nanotubes (m-SWCNTs) from semiconducting sing-walled carbon nanotubes (s-SWCNTs). During the separation there is no need of chemical modification of the SWCNTs. However, separation efficiency obtained from this method is not comparable to other methods which utilize modification of SWCNTs with chemicals. One of the reasons for the low efficiency may be poor microfluidic channel design in view of electrical properties of SWCNTs. Therefore, it is necessary to analyze the motion of SWCNTs under the DEP force.
In this study, calculations of trajectory of SWCNTs, fluid velocity and electric field in the 3-dimensional domain have been performed. Fluid velocity field and electric field in a channel domain were solved from the Navier-Stokes equation and the Poisson’s equation, respectively, by COMSOL Multiphysics(R)software based on the finite element method. Then, they were used to obtain drag force and DEP force which determine different movement of m-SWCNTs and s-SWCNTs. Finally, trajectories of SWCNTs have been predicted using these forces.
It is expected that this study can be helpful in achieving more effective separation of SWCNTs and realizing novel design of electrodes on microfluidic device.
유전 영동 분리 법은 유체 안의 미립자들에 교류 전류가 가해졌을 때, 유체와 미립자의 전하가 전기에 반응하는 특성이 다름을 이용한다. 미립자와 유체의 유전성과 전도성에 의존해서 미립자에 가해지는 힘이 다르게 형성 되는 것이다. 특히 이 방법은 단일 벽 탄소나노튜브들을 분리하는데 유용하게 쓰일 수 있다. 단일 벽 탄소나노튜브는 우수한 전기적, 기계적 특성을 갖고 있음에도 불구하고, 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 탄소나노튜브가 같이 성장하기 때문에 이를 분리해 줘야 각각 다른 응용분야에 사용될 수 있기 때문이다.
유전 영동법으로 분리되는 단일벽 탄소나노튜브의 거동을 해석하기 위해서 유한 요소 법을 이용하여 전산모사를 수행했다. 먼저, 유전 영동 힘을 결정하는 전기장과 유동장을 풀기 위해서 상용 소프트웨어인 COMSOL Multiphysics를 사용하였다. 이 때 특히, 전기장과 유동장을 위해 풀어야 하는 자유도의 수가 다르기 때문에 전체 요소의 개수를 선택하는 방식에 대한 고려도 다루어졌다. 그런 후, 얻어진 전기장과 유동장을 직접 만든 FORTRAN 코드로 가져와 단일 벽 탄소나노튜브의 시간에 따른 거동을 계산하였다.
얻어진 결과들을 분석해 보면, 빠른 유동장에서도 전극 근처에 위치하는 금속성 탄소나노튜브에 유전 영동 힘이 가해지는 것을 볼 수 있다. 또한, 유동의 속도를 낮춤에 따라 더 많은 금속성 탄소나노튜브들이 전극 위로 쌓이는 것도 볼 수 있다. 이는 유전 영동 힘에 탄소나노튜브의 거동이 결정 되기 위해서 유동 속도를 낮추는 것이 필요함을 나타내 준다. 하지만 아주 낮은 유동 속도에서는 반도체성 탄소나노튜브들도 전극에 같이 잡힐 수 있기 때문에 적절한 유동 속도와 채널 길이의 예측이 필요했다.
마지막으로 이와 같은 연구는 실제 실험에서 유전 영동을 이용하여 단일 벽 탄소나노튜브를 분리할 때 효율을 높일 수 있는 조건들을 제시해 줄 수 있다. 또한, 새로운 전극 디자인으로 채널을 만드는 데도 활용 될 수 있을 것이다.
