Исследователи IBM демонстрируют прорывные качающиеся брауновские моторы для точного разделения наночастиц

Сегодня IBM Research анонсировала первую в мире демонстрацию качающегося брауновского мотора для наночастиц, опубликованную в рецензируемом журнале Science. Устройство направляет наномасштабные частицы по спроектированным трассам, позволяя исследователям разделять популяции наночастиц с беспрецедентной точностью. Эти результаты перспективны для лаб-на-чип приложений в материаловедении, экологии и биохимии.

Больше не сказки

Вспомните сказку Гриммов о Золушке, которой пришлось перебирать горох и чечевицу. Представьте вместо этого суспензию частиц 60 и 100 нм — в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоска. Предыдущие методы разделения требовали громоздких фильтров или сложной аппаратуры, неподходящей для портативных лаб-на-чип устройств.

Качающийся брауновский мотор

В природе молекулярные моторы — крошечные ходунки, доставляющие груз по микротрубочкам — достигают этого с минимальным топливом. Они используют брауновское движение, случайную дрожь частиц от столкновений с молекулами воды, явление, впервые количественно описанное Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Брауновский мотор использует эту случайность, превращая ее в направленную работу с помощью асимметричного клинового механизма. Осциллирующая внешняя сила подталкивает частицы к зубьям клинового механизма, позволяя более легкое прохождение в одном направлении и блокируя обратное движение — эффективно управляя частицами.

Создание нового устройства для разделения частиц

Начали с термически актуируемого кремниевого наконечника с острым вершиной, вырезая трехмерный ландшафт в полимерном слое с помощью термической сканирующей зондовой литографии — подхода, который в 2014 году произвел самую маленькую обложку журнала в мире.

Для дискриминации двух размеров частиц интегрированы два противоположных клинового механизма с разной геометрией зубьев. Капля с золотыми сферами 60 и 100 нм помещается на структуру, затем закрывается тонкой стеклянной пластиной, оставляя минимальный зазор. Электростатические взаимодействия удерживают частицы на максимальном расстоянии от стекла и зубьев. Поскольку более крупные частицы реже зацепляются за большие зубья, они движутся в противоположных направлениях — сферы 60 нм качаются вправо, 100 нм — влево — за секунды.

Сопутствующая модель, опубликованная вместе со статьей, предсказывает, что устройство может разделять частицы от 5 до 100 нм с радиальной разницей всего 1 нм. Экспериментальные данные идеально согласуются с теорией, подтверждая отсутствие скрытых эффектов.

Применение в различных областях

Компактный дизайн потребляет всего 5 В и работает без давления или потока, делая его идеальным для лаб-на-чип платформ, анализирующих крошечные объемы ДНК, белков, квантовых точек и других наночастиц. Может также поддерживать сенсорные массивы для детектирования ультрамалых загрязнителей в питьевой воде, полезных в материаловедении, биохимии и экологических исследованиях.

Экспертиза IBM в наноструктурной фabрикации и микрожидкостях лежит в основе этого прорыва; производительность устройства зависит от точности одного литографического шага.

Nanofluidic Rocking Brownian Motors, Michael J. Skaug, Christian Schwemmer, Stefan Fringes, Colin D. Rawlings, Armin W. Knoll, DOI: 10.1126/science.aal3271