Een Koreaans onderzoeksteam heeft een technologie ontwikkeld die de effectieve bestrijding van fijnstof en nanoplastics mogelijk maakt, die belangrijke oorzaken zijn van menselijke toxiciteit en verstoringen van het ecosysteem. Deze technologie, die realtime sorteren mogelijk maakt, zuivering, en concentratie van nanodeeltjes onzichtbaar voor het menselijk oog heeft een grote potentiële toepassing, niet alleen voor het verwijderen van giftige deeltjes uit de natuurlijke omgeving, maar ook voor het verwijderen van virussen en het detecteren van aan dementie gerelateerde eiwitten en diagnostische markers voor kanker. Door het grote toepassingsgebied, deze technologie trekt veel aandacht in wetenschappelijke en academische kringen.

Het onderzoeksteam, geleid door Dr. Yong-sang Ryu van het Sensor System Research Center in de National Agenda Research Division van het Korea Institute of Science and Technology (KIST), werken met een team onder leiding van Dr. Sin-Doo Lee van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de Seoul National University, kondigde de ontwikkeling aan van een nanogap-elektrode die ultrafijne zwevende deeltjes tot 20 nanometer (nm, 1/1000 van de dikte van een mensenhaar). Het onderzoeksteam gebruikte de nieuw ontwikkelde elektrode in succesvolle selectieve concentratie- en positioneringsexperimenten voor extracellulaire blaasjes (exosomen), die potentieel hebben op het gebied van geneesmiddelenontwikkeling en als nieuwe diagnostische markers voor kanker en aan dementie gerelateerde eiwitten.

Onderzoekers over de hele wereld volgen technieken om nanodeeltjes te manipuleren zonder ze te beschadigen. De optische pincettechnologie, die in 2018 de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving, representatief is voor dergelijke technologieën. Echter, het is moeilijk gebleken om verder te gaan dan manipulatie/meting op individueel deeltjesniveau en om commercialisering op grote schaal te realiseren. Onderzoekers zijn herhaaldelijk tegen technische beperkingen aangelopen in schaalmechanismen voor het verzamelen, sorteren, het zuiveren en concentreren van deeltjes die 100 nm of minder groot zijn; echter, dergelijke mechanismen zijn nodig om te werken in grootschalige atmosferische en wateromgevingen.

Het gezamenlijke KIST-SNU onderzoeksteam, door middel van apparaatproductie op centimeterschaal voor deeltjesconcentratie- en zuiveringsexperimenten, was in staat om deze beperkingen te overwinnen en de nanogap-elektroden met succes op te schalen door nanogeschaalde isolatorfilm tussen twee elektroden in een verticale uitlijning te sandwichen, waardoor de diëlektroforetische pincettechnologie op grote oppervlakken kan worden toegepast. Diëlektroforese is een technologie waarbij golflengten die honderden tot duizenden keren per seconde trillen, worden toegepast op twee elektroden om een ​​niet-uniforme elektrische veldverdeling rond de elektroden te vormen. De elektroden worden vervolgens gebruikt om deeltjes in de buurt van de nanogaps aan te trekken of af te stoten.

Het gezamenlijke onderzoeksteam voerde experimenten uit om technologieën te vinden die gebruik kunnen maken van universeel beschikbare halfgeleiderprocessen in plaats van bestaande dure apparatuur. Tijdens het experimenteerproces het team ontdekte dat de diëlektroforetische kracht geproduceerd door elektroden in een asymmetrische, met elektroden gerangschikte verticale array meer dan 10 keer groter was dan die van een conventionele horizontaal uitgelijnde nanogap-array. Deze ontdekking loste tegelijkertijd de problemen van opschaling op en verlaagde de kosten die gepaard gaan met de nanogap-technologie. Met behulp van de conventionele productiemethode voor horizontale elektroden, het is vrij duur om voldoende nanogap-elektroden te produceren om het gebied van een vingernagel te bedekken. De nieuwe diëlektroforesetechnologie produceert genoeg nanogap-elektroden om het gebied van een LP-schijf te bestrijken tegen een fractie van de kosten.

De verticale nanogap-technologie ontwikkeld door het KIST-onderzoeksteam maakt het mogelijk om nanogap-elektrodetechnologie op te schalen, nanogap-elektroden produceren in tal van vormen en maten, en vermindert de productiekosten per eenheid drastisch. Als zodanig, de technologie heeft een breed scala aan potentiële toepassingen. Volgens het onderzoeksteam bij gebruik in lucht- of waterfilters, de nanogap-elektroden kunnen functioneren onder lage spanning (zoals die van een gewone AA-cel) om te detecteren en te verwijderen, live, verschillende microscopisch kleine zwevende deeltjes zoals fijnstof, nanoplastics, virussen, bacterieën, en bacteriën.

Dr. Eui-Sang Yu, de hoofdauteur van de studie, zei, "De prestatie heeft toekomstige toepassing voor het sorteren en zuiveren van nanodeeltjes, ongeacht het type deeltje of de omgeving."

Dr. Yong-Sang Ryu van de KIST, de corresponderende auteur van de studie, toegevoegd, "We hopen dat de studie een brede bijdrage kan leveren aan het oplossen van verschillende sociale problemen en de algemene kwaliteit van het menselijk leven kan verbeteren."