Ingenieurs van de Duke University hebben een systeem bedacht voor het manipuleren van deeltjes die de minuscule 2,5 nanometer diameter van DNA benaderen met behulp van door geluid geïnduceerde elektrische velden. Nagesynchroniseerd met "akoestisch-elektronische nanopincet, " de aanpak zorgt voor een labelloze, dynamisch regelbare methode om nanodeeltjes over een groot gebied te verplaatsen en te vangen. De technologie is veelbelovend voor toepassingen op het gebied van fysica van gecondenseerde materie tot biogeneeskunde.

Het onderzoek verschijnt op 22 juni online in Natuurcommunicatie .

Het nauwkeurig beheersen van nanodeeltjes is een cruciaal vermogen voor veel opkomende technologieën. Bijvoorbeeld, het scheiden van exosomen en andere kleine biologische moleculen uit bloed zou kunnen leiden tot nieuwe soorten diagnostische tests voor de vroege detectie van tumoren en neurodegeneratieve ziekten. Door gemanipuleerde nanodeeltjes in een specifiek patroon te plaatsen voordat ze op hun plaats worden bevestigd, kunnen nieuwe soorten materialen met zeer afstembare eigenschappen worden gecreëerd.

Al meer dan een decennium, Tony Jun Huang, de William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science aan Duke, heeft akoestische pincetsystemen nagestreefd die geluidsgolven gebruiken om deeltjes te manipuleren. Echter, het wordt moeilijk om dingen met geluid rond te duwen wanneer hun profiel onder dat van enkele van de kleinste virussen zakt.

"Hoewel we nog steeds fundamenteel geluid gebruiken, onze acous-elektronische nanopincetten gebruiken een heel ander mechanisme dan deze eerdere technologieën, " zei Joseph Rufo, een afgestudeerde student die in het laboratorium van Huang werkt. "Nu maken we niet alleen gebruik van akoestische golven, maar elektrische velden met de eigenschappen van akoestische golven."

In plaats van geluidsgolven te gebruiken om de nanodeeltjes direct te verplaatsen, Huang, Rufo en Peiran Zhang, een postdoc in het laboratorium van Huang, gebruik geluidsgolven om elektrische velden te creëren die voor de duw zorgen. De nieuwe benadering van akoeso-elektronische pincetten werkt door een piëzo-elektrisch substraat - een dun materiaal dat elektriciteit opwekt als reactie op mechanische spanning - onder een kleine kamer gevuld met vloeistof te plaatsen. Vier transducers zijn uitgelijnd aan de zijkanten van de kamer, die geluidsgolven in het piëzo-elektrische substraat sturen.

Deze geluidsgolven stuiteren rond en werken met elkaar samen om een ​​stabiel patroon te creëren. En omdat de geluidsgolven spanningen creëren in het piëzo-elektrische substraat, ze creëren ook elektrische velden. Deze koppelen met de akoestische golven op een manier die elektrische veldpatronen creëert in de kamer erboven.

"De trillingen van de geluidsgolven zorgen er ook voor dat het elektrische veld dynamisch wisselt tussen positieve en negatieve ladingen, "zei Zhang. "Dit wisselende elektrische veld polariseert de nanodeeltjes in vloeistof, die dient als een handvat om ze te manipuleren."

Het resultaat is een mechanisme dat enkele van de sterke punten van andere manipulatoren van nanodeeltjes combineert. Omdat de acous-elektronische nanopincet een elektromagnetische respons in de nanomaterialen induceert, de nanodeeltjes hoeven op zichzelf niet geleidend te zijn of te zijn gelabeld met een soort modifier. En omdat de patronen zijn gemaakt met geluidsgolven, hun posities en eigenschappen kunnen snel en eenvoudig worden gewijzigd om een ​​verscheidenheid aan opties te creëren.

In het prototype is de onderzoekers tonen nanodeeltjes geplaatst in gestreepte en dambordpatronen. Ze duwen zelfs individuele deeltjes op een willekeurige manier dynamisch rond, het spellen van letters zoals D, jij, K en E. De onderzoekers tonen vervolgens aan dat deze uitgelijnde nanopatronen kunnen worden overgebracht op droge films met behulp van delicate nanodeeltjes zoals koolstofnanobuisjes, Eiwitten van 3,5 nanometer en dextran van 1,4 nanometer worden vaak gebruikt in biomedisch onderzoek. En ze laten zien dat dit allemaal kan worden bereikt op een werkgebied dat tientallen tot honderden keren groter is dan de huidige state-of-the-art nanotweezing-technologieën.