Ingenjörer vid Duke University har utarbetat ett system för att manipulera partiklar som närmar sig den minimala 2,5 nanometer diametern av DNA med hjälp av ljudinducerade elektriska fält. Kallas "acoustoelelektroniska nanotweezers, "metoden ger en etikettfri, dynamiskt kontrollerbar metod för att flytta och fånga nanopartiklar över ett stort område. Tekniken är lovande för tillämpningar inom områden som sträcker sig från kondenserad materiens fysik till biomedicin.

Forskningen visas online den 22 juni i Naturkommunikation .

Att just kontrollera nanopartiklar är en avgörande förmåga för många nya teknologier. Till exempel, Att separera exosomer och andra små biologiska molekyler från blod kan leda till nya typer av diagnostiska tester för tidig upptäckt av tumörer och neurodegenerativa sjukdomar. Att placera konstruerade nanopartiklar i ett specifikt mönster innan de fixeras på plats kan bidra till att skapa nya typer av material med mycket avstämbara egenskaper.

I mer än ett decennium, Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science vid Duke, har eftersträvat akustiska pincettsystem som använder ljudvågor för att manipulera partiklar. Dock, det blir svårt att skjuta runt saker med ljud när deras profil sjunker under den för några av de minsta virusen.

"Även om vi fortfarande i grunden använder ljud, våra akustoelelektroniska nanotweezers använder en helt annan mekanism än dessa tidigare teknologier, sade Joseph Rufo, en doktorand som arbetar i Huangs laboratorium. "Nu utnyttjar vi inte bara akustiska vågor, men elektriska fält med egenskaperna hos akustiska vågor."

Istället för att använda ljudvågor för att direkt flytta nanopartiklarna, Huang, Rufo och Peiran Zhang, en postdoc i Huangs laboratorium, använd ljudvågor för att skapa elektriska fält som ger trycket. Den nya akustoelelektroniska pincettmetoden fungerar genom att placera ett piezoelektriskt substrat - ett tunt material som skapar elektricitet som svar på mekanisk stress - under en liten kammare fylld med vätska. Fyra givare är inriktade på kammarens sidor, som skickar ljudvågor in i det piezoelektriska substratet.

Dessa ljudvågor studsar runt och interagerar med varandra för att skapa ett stabilt mönster. Och eftersom ljudvågorna skapar spänningar i det piezoelektriska substratet, de skapar också elektriska fält. Dessa kopplar ihop med de akustiska vågorna på ett sätt som skapar elektriska fältmönster i kammaren ovanför.

"Ljudvågornas vibrationer gör också att det elektriska fältet dynamiskt växlar mellan positiva och negativa laddningar, ", sa Zhang. "Detta växelströmsfält polariserar nanopartiklarna i vätska, som fungerar som ett handtag för att manipulera dem."

Resultatet är en mekanism som blandar några av styrkorna hos andra nanopartikelmanipulatorer. Eftersom de akustoelelektroniska nanotweezerna inducerar ett elektromagnetiskt svar i nanomaterialen, nanopartiklarna behöver inte vara ledande på egen hand eller märkta med någon form av modifierare. Och eftersom mönstren skapas med ljudvågor, deras positioner och egenskaper kan snabbt och enkelt ändras för att skapa en mängd olika alternativ.

I prototypen, forskarna visar nanopartiklar placerade i randiga mönster och rutmönster. De trycker till och med runt enskilda partiklar på ett godtyckligt sätt dynamiskt, stava bokstäver som D, U, K och E. Forskarna visar sedan att dessa anpassade nanomönster kan överföras till torra filmer med hjälp av känsliga nanopartiklar som kolnanorör, 3,5-nanometer proteiner och 1,4-nanometer dextran används ofta i biomedicinsk forskning. Och de visar att allt detta kan åstadkommas på ett arbetsområde som är tio till hundratals gånger större än dagens toppmoderna nanotweezing-teknik.