I dag, vårt IBM-forskargrupp publicerade den första verkliga demonstrationen av en gungande brunianmotor för nanopartiklar i peer-review-tidskriften Vetenskap . Motorerna driver nanoskala partiklar längs fördefinierade racerbanor för att göra det möjligt för forskare att separera nanopartikelpopulationer med en aldrig tidigare skådad precision. De rapporterade resultaten visar stor potential för lab-on-a-chip-applikationer inom materialvetenskap, miljövetenskap eller biokemi.
Inga fler sagor
Kommer du ihåg Grimm -versionen av Askungen när hon var tvungen att plocka ärtor och linser ur askan? Föreställ dig nu att du istället för ärtor och linser har en suspension av nanopartiklar, som bara är 60 nanometer (nm) och 100 nm stora - det är 1, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår. Med tidigare metoder, man kan skilja dem med ett komplicerat filter eller maskiner, dessa är dock för skrymmande och komplexa för att integreras i ett handhållet lab-on-a-chip.
Gungande brunianmotor
För att ta itu med detta, vi hämtar inspiration från naturen. I våra celler är molekylära motorer små vandrare som transporterar last längs mikrotubulistyrspår med minimal bränsleförbrukning. De är en integrerad del av muskelkontraktionen i vår kropp. Dessa motorer är fascinerande eftersom de övervinner och till och med utnyttjar den slumpmässiga rörelse som partiklar av storleken på vandrare vanligtvis upplever i denna skala, kallas Brownian motion. Detta kaotiska, partiklarnas darrande rörelse orsakas av vattenmolekylerna, som slumpmässigt kolliderar med partiklar. Rolig fakta, det var Albert Einstein som först gav en korrekt beskrivning av den bruna rörelsen 1905.
En brunisk motor omvandlar denna slumpmässiga rörelse till mekaniskt arbete genom att tvinga slumpmässigheten till en rak partikelrörelse. För detta ändamål använder forskare principen som liknar en spärrskruvmejsel, där asymmetriska tänder tillåter rörelse i en riktning, men inte i den andra.
Dessutom, en oscillerande yttre kraft används, som pressar partiklarna mot spärrtänderna. För partiklarna är det mycket lättare att passera tänderna i en riktning, resulterar i riktad rörelse av partiklarna. En brun motor producerar inte riktad rörelse, det förhindrar bara att partiklar rör sig bakåt.
Bygga en ny enhet för partikelseparering
Till att börja med använde vi en liten, värmbar kiselspets med en skarp spets för att skapa ett 3D-landskap för nanopartiklar genom att "mejsa" bort material från ett polymerskikt. Denna teknik kallas termisk skanning sond litografi. Det användes för att skapa världens minsta tidningsomslag redan 2014.
Eftersom vi ville separera två olika typer av partiklar, vi kombinerade två spärrhakar med motsatta transportriktningar som hade olika stora tänder. Vi satte sedan en vattendroppe som innehöll 60 nm och 100 nm små guldkulor på spärrarna och täckte den med ett tunt glas, lämnar ett litet mellanrum mellan tänderna och glaset. På grund av den elektrostatiska interaktionen mellan de laddade ytorna och partiklarna, partiklarna flyter i vätskan med högsta möjliga avstånd till glaset och tänderna. Eftersom en partikel av större storlek är mindre sannolikt att utforska spärren med de större tänderna, sfärerna rörde sig i motsatta riktningar och separerades. De 60 nm partiklarna gungade till höger och 100 nm partiklarna till vänster om systemet inom bara några sekunder.
En modell, som vi också publicerade i tidningen, föreslår att vår enhet kan separera partiklar som sträcker sig från 5 nm till 100 nm i storlek och har en radiell skillnad på endast 1 nm. Vi är mycket säkra på att det inte finns några signifikanta dolda effekter i systemet eftersom det beter sig exakt som förutsagt av teorin och vi kan mäta alla relevanta fysiska parametrar.
Ansökningar inom olika områden möjliga
Vår enhet har ett mycket litet fotavtryck, använder bara 5 volt och, i motsats till befintliga verktyg, behöver inget tryck eller flöde. Detta gör den idealisk för lab-on-chip applikationer t.ex. för en storleksanalys av partiklar som DNA, proteiner, kvantprickar och andra nanopartiklar i små vätskevolymer. Det kan användas inom ett brett spektrum av forskningsområden som materialvetenskap, biokemi eller miljöforskning. Man kan tänka sig strukturer som levererar nanoobjekt av intresse till sensorer för att upptäcka extremt små mängder, t.ex. föroreningar i nanoskala i vårt dricksvatten.
Utvecklingen av en sådan enhet baserades på IBM:s kapacitet inom tillverkning av nanostrukturer och dess kunskaper inom mikrofluidik. Faktiskt, det är fascinerande att tänka på att enhetens funktion och prestanda bestäms av precisionen i ett enda litografiskt steg som används för att tillverka enheten.
