Lydinducerede elektriske felter styrer de mindste partikler

Ingeniører ved Duke University har udtænkt et system til at manipulere partikler, der nærmer sig den minimale 2,5 nanometer diameter af DNA ved hjælp af lyd-inducerede elektriske felter. Kaldt "acoustoelelektroniske nanotweezer, "tilgangen giver en etiketfri, dynamisk kontrollerbar metode til at flytte og fange nanopartikler over et stort område. Teknologien lover for applikationer inden for områder lige fra kondenseret stoffysik til biomedicin.

Undersøgelsen vises online den 22. juni i Naturkommunikation .

Netop styring af nanopartikler er en afgørende evne for mange nye teknologier. For eksempel, adskillelse af exosomer og andre bittesmå biologiske molekyler fra blod kan føre til nye typer diagnostiske tests til tidlig påvisning af tumorer og neurodegenerative sygdomme. At placere konstruerede nanopartikler i et specifikt mønster, før de fikseres på plads, kan hjælpe med at skabe nye typer materialer med meget justerbare egenskaber.

I mere end et årti, Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science ved Duke, har forfulgt akustiske pincetsystemer, der bruger lydbølger til at manipulere partikler. Imidlertid, det bliver svært at skubbe ting rundt med lyd, når deres profil falder til under nogle af de mindste vira.

"Selvom vi stadig grundlæggende bruger lyd, vores akustoelelektroniske nanotweezer bruger en meget anden mekanisme end disse tidligere teknologier, " sagde Joseph Rufo, en kandidatstuderende, der arbejder i Huangs laboratorium. "Nu udnytter vi ikke kun akustiske bølger, men elektriske felter med egenskaberne af akustiske bølger."

I stedet for at bruge lydbølger til direkte at flytte nanopartiklerne, Huang, Rufo og Peiran Zhang, en postdoc i Huangs laboratorium, bruge lydbølger til at skabe elektriske felter, der giver skub. Den nye akustoelelektroniske pincet-tilgang fungerer ved at placere et piezoelektrisk substrat - et tyndt materiale, der skaber elektricitet som reaktion på mekanisk stress - under et lille kammer fyldt med væske. Fire transducere er justeret på kammerets sider, som sender lydbølger ind i det piezoelektriske substrat.

Disse lydbølger hopper rundt og interagerer med hinanden for at skabe et stabilt mønster. Og fordi lydbølgerne skaber spændinger i det piezoelektriske substrat, de skaber også elektriske felter. Disse parrer sig med de akustiske bølger på en måde, der skaber elektriske feltmønstre i kammeret ovenfor.

"Lydbølgernes vibrationer får også det elektriske felt til dynamisk at veksle mellem positive og negative ladninger, " sagde Zhang. "Dette vekslende elektriske felt polariserer nanopartiklerne i væske, som tjener som et håndtag til at manipulere dem."

Resultatet er en mekanisme, der blander nogle af styrkerne ved andre nanopartikelmanipulatorer. Fordi de akustoelelektroniske nanotweezere inducerer en elektromagnetisk respons i nanomaterialerne, nanopartiklerne behøver ikke at være ledende alene eller mærket med nogen form for modifikator. Og fordi mønstrene er skabt med lydbølger, deres positioner og egenskaber kan hurtigt og nemt ændres for at skabe en række muligheder.

I prototypen, forskerne viser nanopartikler placeret i stribede og skakternet mønstre. De skubber endda individuelle partikler rundt på en vilkårlig måde dynamisk, stave bogstaver som D, U, K og E. Forskerne demonstrerer derefter, at disse justerede nano-mønstre kan overføres til tørre film ved hjælp af sarte nanopartikler såsom kulstofnanorør, 3,5 nanometer proteiner og 1,4 nanometer dextran ofte brugt i biomedicinsk forskning. Og de viser, at alt dette kan opnås på et arbejdsområde, der er ti til hundredvis af gange større end de nuværende avancerede nanotweezing-teknologier.