Vandaag, ons IBM Research-team publiceerde de eerste echte werelddemonstratie van een schommelende Brownse motor voor nanodeeltjes in het peer-review-tijdschrift Wetenschap . De motoren stuwen nanodeeltjes langs vooraf gedefinieerde racetracks om onderzoekers in staat te stellen nanodeeltjespopulaties met ongekende precisie te scheiden. De gerapporteerde bevindingen laten een groot potentieel zien voor lab-on-a-chip-toepassingen in materiaalwetenschap, milieuwetenschappen of biochemie.

Geen sprookjes meer

Herinner je je de Grimm-versie van Assepoester toen ze erwten en linzen uit de as moest plukken? Stel je nu voor dat je in plaats van erwten en linzen een suspensie van nanodeeltjes hebt, die slechts 60 nanometer (nm) en 100 nm groot zijn - dat is 1, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar. Met behulp van eerdere methoden, men zou ze kunnen scheiden met een ingewikkeld filter of machines, deze zijn echter te omvangrijk en te complex om te worden geïntegreerd in een handheld lab-on-a-chip.

Schommelende Brownse motor

Dit behandelen, we halen inspiratie uit de natuur. In onze cellen zijn moleculaire motoren kleine rollators die vracht vervoeren langs microtubuli-geleidingssporen met minimaal brandstofverbruik. Ze zijn een integraal onderdeel van de spiercontractie in ons lichaam. Deze motoren zijn fascinerend omdat ze de willekeurige beweging overwinnen en zelfs exploiteren die deeltjes ter grootte van de wandelaars typisch ervaren op deze schaal, Brownse beweging genoemd. Deze chaotische, trillende beweging van de deeltjes wordt veroorzaakt door de watermoleculen, die willekeurig botsen met deeltjes. Leuk weetje, het was Albert Einstein die in 1905 voor het eerst een correcte beschrijving van de Brownse beweging gaf.

Een Brownse motor zet deze willekeurige beweging om in mechanische arbeid door de willekeur in een rechte deeltjesbeweging te forceren. Voor dit doel gebruiken wetenschappers het principe vergelijkbaar met een ratelschroevendraaier, waarin asymmetrische tanden beweging in één richting mogelijk maken, maar niet in de andere.

In aanvulling, een oscillerende externe kracht wordt gebruikt, die de deeltjes tegen de rateltanden duwt. Voor de deeltjes is het veel gemakkelijker om de tanden in één richting te passeren, resulterend in de gerichte beweging van de deeltjes. Een Brownse motor produceert geen gerichte beweging, het voorkomt alleen dat deeltjes achteruit bewegen.

Een nieuw apparaat bouwen voor deeltjesscheiding

Om te beginnen gebruikten we een kleine, verwarmbare siliconen tip met een scherpe apex om een ​​3D-landschap voor nanodeeltjes te creëren door materiaal van een polymeerlaag weg te "beitelen". Deze techniek wordt thermische scanning probe lithografie genoemd. Het werd in 2014 gebruikt om 's werelds kleinste tijdschriftomslag te maken.

Omdat we twee verschillende soorten deeltjes wilden scheiden, we combineerden twee ratels met tegengestelde transportrichtingen die tanden van verschillende grootte hadden. Vervolgens hebben we een waterdruppel met de kleine gouden bolletjes van 60 nm en 100 nm op de ratels geplaatst en bedekt met een dun glas, laat een kleine opening tussen de toppen van de tanden en het glas. Door de elektrostatische interactie tussen de geladen oppervlakken en deeltjes, de deeltjes drijven in de vloeistof met de grootst mogelijke afstand tot het glas en de tanden. Omdat een deeltje van grotere omvang minder snel de ratel met de grotere tanden zal verkennen, de bollen bewogen in tegengestelde richtingen en werden gescheiden. De 60 nm-deeltjes schommelden binnen enkele seconden naar rechts en de 100 nm-deeltjes naar de linkerkant van het systeem.

Een model, die we ook in de krant publiceerden, suggereert dat ons apparaat deeltjes kan scheiden van 5 nm tot 100 nm in grootte en met een radiaal verschil van slechts 1 nm. We zijn er zeker van dat er geen significante verborgen effecten in het systeem zijn, aangezien het zich precies gedraagt ​​zoals voorspeld door de theorie en we alle relevante fysieke parameters kunnen meten.

Toepassingen op verschillende gebieden mogelijk

Ons apparaat heeft een zeer kleine footprint, gebruikt slechts 5 volt en, in tegenstelling tot bestaande instrumenten, heeft geen druk of stroming nodig. Dit maakt het ideaal voor lab-on-chip-toepassingen, b.v. voor een grootte-analyse van deeltjes zoals DNA, eiwitten, kwantumdots en andere nanodeeltjes in kleine vloeistofvolumes. Het kan worden gebruikt in een breed scala aan onderzoeksgebieden, zoals materiaalwetenschap, biochemie of milieuonderzoek. Je zou kunnen denken aan structuren die de nano-objecten van belang aan sensoren leveren om ultrakleine hoeveelheden te detecteren, zoals verontreinigende stoffen op nanoschaal in ons drinkwater.

De ontwikkeling van een dergelijk apparaat was gebaseerd op de mogelijkheden van IBM op het gebied van fabricage van nanostructuren en zijn kennis op het gebied van microfluïdica. In feite, het is fascinerend om te bedenken dat de werking en prestaties van het apparaat worden bepaald door de precisie van een enkele lithografische stap die wordt gebruikt om het apparaat te fabriceren.