Met nieuw ontwikkelde nanonovaven kan de stroom van individuele nanodeeltjes in vloeistoffen worden gecontroleerd in kleine kanaaltjes. Dit is interessant voor lab-on-a-chip-toepassingen zoals in materiaalkunde en biomedicine.

Onderzoekers van ETH Zürich hebben kleine ventieltjes ontwikkeld waarmee individuele nanodeeltjes in vloeistoffen kunnen worden gescheiden en gesorteerd. De ventielen kunnen worden gebruikt voor een zeer breed scala aan kleine deeltjes, inclusief individuele metalen en halfgeleider nanodeeltjes, virusdeeltjes, liposomen en grotere biomoleculen zoals antilichamen.

De nanovalves werken anders dan klassieke ventielen, die worden gebruikt om de stroming in pijpleidingen mechanisch te sluiten en te openen, als in een kraan. "Deze mechanische kleppen kunnen worden geminiaturiseerd, maar niet zo ver als we nodig zouden hebben voor toepassingen op nanoschaal, " legt ETH-professor Poulikakos uit. "Als kanalen dunner zijn dan enkele tientallen micrometers, ze kunnen niet met enige regelmaat mechanisch worden gesloten en geopend."

Knelpunt met elektroden

Om de nanodeeltjesstroom in ultradunne kanalen te openen en te sluiten, de ETH-wetenschappers maakten gebruik van elektrische krachten. Ze werkten met kanalen die in een siliciumchip waren geëtst. Deze hadden een diameter van slechts 300 tot 500 nanometer, minder dan een honderdste van de diameter van een mensenhaar. Vervolgens construeerden ze nanonovaven in deze kanalen door de kanalen op gewenste kleplocaties te verkleinen met behulp van nanolithografie en aan beide zijden van deze knelpunten een elektrode te plaatsen.

Nanodeeltjes in zuiver water kunnen niet zomaar door de bottleneck; voor hen, de klep in zijn basistoestand is gesloten. Door de elektrode op bepaalde manieren te activeren, het elektrische veld in de bottleneck kan worden gewijzigd. Dit leidt tot een kracht die inwerkt op eventuele aanwezige nanodeeltjes, die de deeltjes door de bottleneck duwt - zo wordt de klep "geopend".

Nanodeeltjes in een zoutoplossing, echter, zich anders gedragen:ze kunnen in de basistoestand door de bottleneck gaan – voor hen de klep is "open". Maar zoals de wetenschappers konden aantonen, kunnen deze deeltjes bij de elektroden worden tegengehouden door een vakkundige toepassing van wisselende elektrische velden. Op deze manier, bijvoorbeeld, biologische deeltjes zoals virussen, liposomen en antilichamen die zowel in de natuur als in het laboratorium gewoonlijk in zoutvloeistoffen aanwezig zijn, kunnen gemakkelijk worden gemanipuleerd.

Trillende nanodeeltjes beheersen

"Het is fundamenteel moeilijk om individuele nanodeeltjes in een vloeistof te onderzoeken, omdat Brownse beweging op nanoschaal werkt, " legt Hadi Eghlidi uit, Senior wetenschapper in de groep van Poulikakos. De kleine deeltjes blijven niet stil, maar trillen constant, met een bewegingsradius die vele malen hun diameter is. "Echter, we kunnen de moleculen vangen in een kleine ruimte tussen twee of meer kleppen en ze dan onder een microscoop onderzoeken, bijvoorbeeld."

Als onderdeel van een proof of concept, de wetenschappers maakten een isolatie- en sorteerslot met een knooppunt en drie kleppen op een siliciumchip (zie afbeelding hierboven). Op de kruising kan een individueel nanodeeltje worden opgevangen en onderzocht. De kleppen kunnen dan zo worden aangestuurd dat het deeltje het systeem verlaat via een van de twee uitlaatkanalen, waardoor nanodeeltjes in een vloeistof in twee klassen kunnen worden gesorteerd. Samen met collega's van de Universiteit van Zürich, de ETH-onderzoekers slaagden erin het systeem te gebruiken om minuscule halfgeleider nanodeeltjes (quantum dots) en antilichamen te manipuleren - beide met een diameter van slechts 10 nanometer.

Lab-on-a-chip-toepassingen

Zoals de wetenschappers benadrukken, het is, in principe, mogelijk om een ​​complex nanokanaalsysteem met een willekeurig aantal regelbare kleppen op een siliciumchip te plaatsen. "Door het elektrische veld bij de elektroden te verfijnen, in de toekomst zou het mogelijk kunnen zijn om de kleppen als filter te gebruiken, deeltjes met bepaalde fysische eigenschappen doorlaten terwijl andere worden geblokkeerd, " zegt Christian Höller, een promovendus in de groep van Poulikakos.

De wetenschappers willen de technologie nu samen met partners verder ontwikkelen om deze gereed te maken voor standaard gebruik in onderzoek. Omdat hiermee deeltjes op een kleine chip kunnen worden gesorteerd, bijvoorbeeld, het kan interessant zijn voor materiaalkunde, scheikunde of biogeneeskunde. Deze techniek kan wellicht ook gebruikt worden om synthetische of biologische deeltjes te isoleren om ze microscopisch te onderzoeken of om ze te analyseren onder invloed van farmaceutische medicijnen.