IBM-forskere demonstrerer rockende Brownske motorer til nanopartikler

I dag, vores IBM Research-team offentliggjorde den første virkelige verdensdemonstration af en gyngende Brownsk motor til nanopartikler i peer-review-tidsskriftet Videnskab . Motorerne driver partikler i nanoskala langs foruddefinerede racerbaner for at gøre det muligt for forskere at adskille nanopartikelpopulationer med hidtil uset præcision. De rapporterede resultater viser et stort potentiale for lab-on-a-chip applikationer inden for materialevidenskab, miljøvidenskab eller biokemi.

Ikke flere eventyr

Kan du huske Grimm-versionen af ​​Askepot, da hun skulle plukke ærter og linser op af asken? Forestil dig nu, at du i stedet for ærter og linser har en suspension af nanopartikler, som kun er 60 nanometer (nm) og 100 nm store - det er 1, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår. Ved at bruge tidligere metoder, man kunne adskille dem med et kompliceret filter eller maskiner, disse er dog for omfangsrige og komplekse til at blive integreret i en håndholdt lab-on-a-chip.

Rockende Brownsk Motor

For at løse dette, vi henter inspiration fra naturen. I vores celler er molekylære motorer små vandrere, der transporterer gods langs mikrotubuli-styrespor med minimalt brændstofforbrug. De er en integreret del af muskelsammentrækningen i vores krop. Disse motorer er fascinerende, fordi de overvinder og endda udnytter den tilfældige bevægelse, som partikler på størrelse med vandrere typisk oplever i denne skala, kaldet Brownsk bevægelse. Dette kaotiske, rystende bevægelse af partiklerne er forårsaget af vandmolekylerne, som tilfældigt kolliderer med partikler. Sjov kendsgerning, det var Albert Einstein, der først gav en korrekt beskrivelse af Brownsk bevægelse i 1905.

En Brownsk motor konverterer denne tilfældige bevægelse til mekanisk arbejde ved at tvinge tilfældigheden til en lige partikelbevægelse. Til dette formål bruger videnskabsmænd princippet svarende til en skraldeskruetrækker, hvor asymmetriske tænder tillader bevægelse i én retning, men ikke i den anden.

Ud over, der anvendes en oscillerende ydre kraft, som skubber partiklerne mod skraldetænderne. For partiklerne er det meget lettere at føre tænderne i én retning, resulterer i den rettede bevægelse af partiklerne. En Brownsk motor producerer ikke rettet bevægelse, det forhindrer kun partikler i at bevæge sig baglæns.

Opbygning af en ny enhed til partikelseparation

Til at starte med brugte vi en lille, opvarmelig siliciumspids med en skarp spids for at skabe et 3D-landskab for nanopartikler ved at "mejsle" materiale fra et polymerlag væk. Denne teknik kaldes termisk scanning probe litografi. Det blev brugt til at skabe verdens mindste magasinforside tilbage i 2014.

Da vi ønskede at adskille to forskellige typer partikler, vi kombinerede to skralder med modsatte transportretninger, der havde tænder i forskellig størrelse. Vi satte derefter en vanddråbe indeholdende de 60 nm og 100 nm små guldkugler på skralde og dækkede den med et tyndt glas, efterlader et lille hul mellem spidserne af tænderne og glasset. På grund af den elektrostatiske interaktion mellem de ladede overflader og partikler, partiklerne flyder i væsken med størst mulig afstand til glasset og tænderne. Da en partikel af større størrelse er mindre tilbøjelig til at udforske skralden med de større tænder, sfærerne bevægede sig i modsatte retninger og blev adskilt. 60 nm-partiklerne rokkede til højre og 100 nm-partiklerne til venstre side af systemet inden for kun få sekunder.

En model, som vi også publicerede i avisen, antyder, at vores enhed kan adskille partikler, der spænder fra 5 nm til 100 nm i størrelse og har en radial forskel på kun 1 nm. Vi er meget sikre på, at der ikke er væsentlige skjulte effekter i systemet, da det opfører sig nøjagtigt som forudsagt af teorien, og vi kan måle alle de relevante fysiske parametre.

Mulighed for anvendelse på forskellige områder

Vores enhed har et meget lille fodaftryk, bruger kun 5 volt og, i modsætning til eksisterende værktøjer, behøver ikke tryk eller flow. Dette gør den ideel til lab-on-chip applikationer, f.eks. til en størrelsesanalyse af partikler såsom DNA, proteiner, kvanteprikker og andre nanopartikler i bittesmå væskevolumener. Det kan bruges i en bred vifte af forskningsområder som materialevidenskab, biokemi eller miljøforskning. Man kunne tænke på strukturer, der leverer nanoobjekter af interesse til sensorer for at detektere ultrasmå mængder, såsom forurenende stoffer i nanoskala i vores drikkevand.

Udviklingen af ​​en sådan enhed var baseret på IBM's evner inden for nanostrukturfremstilling og dens viden inden for mikrofluidik. Faktisk, det er fascinerende at overveje, at enhedens funktion og ydeevne bestemmes af præcisionen af ​​et enkelt litografisk trin, der bruges til at fremstille enheden.