Ett koreanskt forskarlag har utvecklat en teknologi som möjliggör effektiv kontroll av fina partiklar och nanoplaster, som är viktiga orsaker till mänsklig toxicitet och ekosystemstörningar. Denna teknik, som möjliggör sortering i realtid, rening, och koncentration av nanopartiklar som är osynliga för det mänskliga ögat har stor potential för användning, inte bara för att avlägsna giftiga partiklar från den naturliga miljön, men också för att ta bort virus och upptäcka demensrelaterade proteiner och cancerdiagnostiska markörer. På grund av dess stora användningsområde, denna teknik väcker stor uppmärksamhet i vetenskapliga och akademiska kretsar.

Forskargruppen, ledd av Dr. Yong-sang Ryu från Sensor System Research Center i National Agenda Research Division vid Korea Institute of Science and Technology (KIST), arbeta med ett team som leds av Dr. Sin-Doo Lee från avdelningen för el- och datateknik vid Seoul National University, tillkännagav utvecklingen av en nanogapelektrod som kan fånga upp ultrafina flytande partiklar så små som 20 nanometer (nm, 1/1000 tjockleken på ett människohår). Forskargruppen använde den nyutvecklade elektroden i framgångsrika selektiva koncentrations- och positioneringsexperiment för extracellulära vesiklar (exosomer), som har potential inom läkemedelsutvecklingsområdet och som nya diagnostiska markörer för cancer- och demensrelaterade proteiner.

Forskare runt om i världen bedriver tekniker för att manipulera partiklar i nanostorlek utan att skada dem. Den optiska pincetttekniken, som fick Nobelpriset i fysik 2018, är representativ för sådan teknik. Dock, det har visat sig vara svårt att gå bortom individuell manipulation/mätning på partikelnivå och att realisera kommersialisering i massiv skala. Forskare har upprepade gånger stött på tekniska begränsningar i skalningsmekanismer för att samla in, sortering, renande och koncentrerande partiklar som är 100 nm eller mindre; dock, sådana mekanismer behövs för att fungera i storskaliga atmosfäriska och vattenmiljöer.

Det gemensamma KIST-SNU-forskarteamet, genom apparatproduktion i centimeterskala för partikelkoncentration och reningsexperiment, kunde övervinna dessa begränsningar och framgångsrikt skala upp nanogap-elektroderna genom att lägga in nanoskalad isolatorfilm mellan två elektroder i en vertikal inriktning, gör att den dielektroforetiska pincetttekniken kan appliceras på stora ytor. Dielektrofores är en teknik där våglängder som vibrerar flera hundra till flera tusen gånger per sekund appliceras på två elektroder för att bilda en ojämn elektrisk fältfördelning runt elektroderna. Elektroderna används sedan för att attrahera eller stöta bort partiklar i närheten av nanogaperna.

Det gemensamma forskarteamet genomförde experiment för att hitta teknologier som kunde använda universellt tillgängliga halvledarprocesser snarare än befintlig dyrbar utrustning. Under experimentprocessen, laget fann att den dielektroforetiska kraften som produceras av elektroder i en asymmetrisk elektrodarrangerad vertikal uppsättning var över 10 gånger större än den för en konventionell horisontellt inriktad nanogapmatris. Denna upptäckt löste samtidigt problemen med uppskalning och minskade kostnaderna förknippade med nanogap-tekniken. Genom att använda den konventionella produktionsmetoden för horisontell elektroduppsättning, det är ganska dyrt att producera tillräckligt med nanogap-elektroder för att täcka området på en nagel. Den nya dielektrofores -tekniken producerar tillräckligt med nanogapelektroder för att täcka en LP -skivas area till en bråkdel av kostnaden.

Den vertikala nanogap-teknologin som utvecklats av KIST-forskargruppen gör det möjligt att skala upp nanogap-elektrodteknologin, producera nanogapelektroder i många former och storlekar, och minskar radikalt produktionskostnaderna per enhet. Som sådan, tekniken har ett brett utbud av potentiella tillämpningar. Enligt forskargruppen, när de används i luft- eller vattenfilter, nanogapelektroderna kan fungera under låg spänning (t.ex. en vanlig AA -cell) för att upptäcka och ta bort, i realtid, olika mikroskopiska flytande partiklar som fint damm, nanoplast, virus, bakterier, och bakterier.

Dr Eui-Sang Yu, huvudförfattaren till studien, sa, "Prestationen har framtida tillämpning för sortering och rening av nanostora partiklar, oavsett typ av partikel eller miljö."

Dr Yong-Sang Ryu från KIST, motsvarande författare till studien, Lagt till, "Vi hoppas att studien kan ge breda bidrag till att lösa olika sociala problem och förbättra den allmänna kvaliteten på människors liv."