Nye nanotweezer åbner døren til innovationer inden for medicin, mobil teknologi

Det er svært at begrebsliggøre en verden, hvor mennesker tilfældigt kunne manipulere objekter i nanoskala efter behag eller endda kontrollere deres eget biologiske stof på cellulært niveau med lys. Men det er præcis hvad Yuebing Zheng, assisterende professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin, arbejder hen imod med sine "nanoweezers" - et nyt værktøj til håndtering af nanopartikler ved hjælp af lys, der kan skabe muligheder for innovationer inden for nanoteknologi og individuel sundhedsovervågning.

Med udgangspunkt i flere års forskning, Zheng og hans team fra Cockrell School of Engineering har udviklet opto-termoelektriske nanotweezer (OTENT), der vil hjælpe med at føre til en større forståelse af stof og biologiske systemer og åbne en række muligheder for grundlæggende og teknisk innovation inden for nanofotonik - studiet af lys -stofinteraktion på nanometerskalaen. De forklarer deres nye arbejde i det seneste nummer af tidsskriftet Naturfotonik .

"Indtil nu, vi vidste simpelthen ikke, hvordan man manipulerede nanopartikler ved hjælp af optisk opvarmning, " sagde Zheng. "Med vores nanotweezer, vi kan ikke kun kontrollere partikler på nanoskala, vi kan også analysere partiklerne og kontrollere koblingen in-situ."

For en af ​​de demonstrerede anvendelser af nanotweezer, Zheng arbejdede sammen med UT Austin kemiingeniørprofessor Brian Korgel, som i år blev valgt til National Academy of Engineering for sit banebrydende arbejde inden for nanokrystaller og nanotråde.

"Dette projekt var virkelig interessant for mig, " sagde Korgel. "Det blev ledet af en gruppe inden for maskinteknik, som havde opdaget en måde at manipulere individuelle nanopartikler og nanotråde på. Deres ekspertise var i at bygge fotonikmaskinerne, men ikke i at lave de materialer, der skulle bruges til eksperimenterne. Så, min gruppe udviklede syntesen af ​​de nanotråde, der blev brugt i undersøgelsen. Det var et fantastisk samarbejde."

Ernst-Ludwig Florin, lektor i fysik og medlem af UT's Center for Ikke-lineær Dynamik, sammen med kandidatstuderende Emanuel Lissek, ydet yderligere ekspertise i præcisionsmålinger ved at demonstrere styrken af ​​nanotweezer.

Dette samarbejde mellem nanofotonik, forskning i nanokemi og nanofysik har givet værktøjerne til at manipulere og analysere nanopartikler på måder, der har, indtil nu, været uden for vores rækkevidde. UT-forskerholdet har demonstreret, hvordan ved at bruge deres nanotweezer, lys kan bruges på nanoskala på samme måde som mekanisk pincet bruges til at håndtere større prøver.

Som en generel teknik, nanotweezer er anvendelig til en bred vifte af metal, halvleder, polymere og dielektriske nanostrukturer med ladede eller hydrofobe overflader. Så langt, forskere har med succes "fanget" silicium nanosfærer, silica perler, polystyren perler, silicium nanotråde, germanium nanotråde og metal nanostrukturer. Den videre indretning af disse nanomaterialer på en rationelt designet måde kan føre til en bedre forståelse af, hvordan stof organiserer sig og potentiel opdagelse af nye funktionelle materialer.

I biologiske omgivelser, Zheng mener, at manipulation af levende celler og celle-til-celle-kommunikation sandsynligvis vil være et primært forskningsfokus for ingeniører, der ønsker at udnytte de muligheder, som nanotweezere tilbyder.

"Optimering af det nuværende system for at gøre det biokompatibelt er næste trin i vores projekt, " sagde Zheng. "Vi forventer at bruge vores pincet til at manipulere biologiske celler og molekyler ved enkeltmolekyle opløsning, at kontrollere lægemiddelfrigivelse og at studere celle-celle-interaktionen. Manipulationen og analysen af ​​biologiske objekter vil åbne en ny dør til tidlig sygdomsdiagnose og opdagelsen af ​​nanomedicin."

Zheng er overbevist om, at teknologien vil blive kommercialiseret, endda til det punkt, hvor nanotweezer kunne tilpasses til brug i en smartphone-app, næsten som en moderne schweizisk hærkniv.

"Det er, hvad vi håber, " sagde han. "Vi ser også store muligheder i opsøgende uddannelse, måske for elever, der gerne vil se, hvordan en celle virkelig ser ud. Ud over, det kunne bruges til at vurdere, hvor sundt ens immunsystem fungerer. Det har potentialet til at være et vigtigt mobilt diagnostisk værktøj, at give folk mere autonomi over deres egen sundhedspleje."