Ученые IBM впервые продемонстрировали раскачку броуновских двигателей для наночастиц

Сегодня наша исследовательская группа IBM опубликовала первую реальную демонстрацию качающегося броуновского двигателя для наночастиц в рецензируемом журнале Science . Двигатели перемещают наноразмерные частицы по заранее определенным гоночным трекам, что позволяет исследователям разделять популяции наночастиц с беспрецедентной точностью. Полученные результаты показывают большой потенциал для приложений "лаборатория на кристалле" в материаловедении, науках об окружающей среде или биохимии.

Больше никаких сказок

Вы помните версию Золушки Гримм, когда ей приходилось собирать горох и чечевицу из пепла? А теперь представьте, что вместо гороха и чечевицы у вас есть суспензия наночастиц, размер которых составляет всего 60 и 100 нм, что в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса. Используя предыдущие методы, их можно было разделить с помощью сложного фильтра или машин, однако они слишком громоздки и сложны для интеграции в портативную лабораторию на кристалле.

Ученый из IBM Доктор Армин Кнолль с установкой эксперимента в своей лаборатории в Швейцарии.

Качающийся броуновский мотор

Чтобы решить эту проблему, мы черпаем вдохновение в природе. В наших клетках молекулярные моторы представляют собой крошечные ходунки, которые транспортируют грузы по направляющим дорожкам микротрубочек с минимальным расходом топлива. Они являются неотъемлемой частью сокращения мышц нашего тела. Эти двигатели удивительны, потому что они преодолевают и даже используют случайное движение, которое частицы размером с пешехода обычно испытывают в этом масштабе, называемое броуновским движением. Это хаотическое дрожащее движение частиц вызывается молекулами воды, которые случайным образом сталкиваются с частицами. Интересный факт:именно Альберт Эйнштейн первым дал правильное описание броуновского движения в 1905 году.

Броуновский двигатель преобразует это случайное движение в механическую работу, заставляя случайность двигаться прямолинейно. Для этой цели ученые используют принцип, аналогичный храповой отвертке, в которой асимметричные зубцы позволяют перемещаться в одном направлении, но не в другом.

Кроме того, используется колеблющаяся внешняя сила, которая толкает частицы к зубьям храповика. Для частиц намного легче проходить зубцы в одном направлении, что приводит к направленному движению частиц. Броуновский двигатель не производит направленного движения, он только предотвращает движение частиц назад.

Создание нового устройства для отделения частиц

Для начала мы использовали крошечный нагреваемый силиконовый наконечник с острой вершиной, чтобы создать трехмерный ландшафт для наночастиц путем «долбления» материала полимерного слоя. Этот метод называется литографией с тепловым сканированием и зондом. Еще в 2014 году на нем была создана обложка самого маленького журнала в мире.

Исследователь IBM Доктор Кристиан Швеммер готовит каплю воды, содержащую маленькие золотые шарики размером 60 и 100 нм.

Поскольку мы хотели разделить два разных типа частиц, мы объединили два храповика с противоположными направлениями транспортировки с зубьями разного размера. Затем мы поместили каплю воды, содержащую маленькие золотые сферы размером 60 нм и 100 нм, на храповики и накрыли ее тонким стеклом, оставив крошечный зазор между кончиками зубов и стеклом. Из-за электростатического взаимодействия между заряженными поверхностями и частицами частицы плавают в жидкости на максимально возможном расстоянии от стекла и зубов. Поскольку частицы большего размера с меньшей вероятностью исследуют храповик с большими зубьями, сферы двигались в противоположных направлениях и разделялись. Частицы 60 нм качнулись вправо, а частицы 100 нм - в левую часть системы всего за несколько секунд.

Модель, которую мы также опубликовали в статье, предполагает, что наше устройство может разделять частицы размером от 5 до 100 нм с радиальной разницей всего в 1 нм. Мы уверены, что в системе нет значительных скрытых эффектов, поскольку она ведет себя точно так, как предсказывает теория, и мы можем измерить все соответствующие физические параметры.

Возможны приложения в различных областях

Наше устройство занимает мало места, потребляет всего 5 вольт и, в отличие от существующих инструментов, не требует давления или потока. Это делает его идеальным для приложений "лаборатория на кристалле", например. для анализа размера таких частиц, как ДНК, белки, квантовые точки и другие наночастицы в крошечных объемах жидкости. Его можно использовать в широком спектре областей исследований, таких как материаловедение, биохимия или исследования окружающей среды. Можно подумать о структурах, которые доставляют интересующие нанообъекты к датчикам для обнаружения сверхмалых количеств, таких как наноразмерные загрязнители в нашей питьевой воде.

Разработка такого устройства была основана на возможностях IBM в производстве наноструктур и ее знаниях в области микрофлюидики. На самом деле интересно учитывать, что работа и производительность устройства определяются точностью одного литографического шага, используемого для изготовления устройства.

Наножидкостные качающиеся броуновские двигатели Майкл Дж. Скауг, Кристиан Швеммер, Стефан Фрингс, Колин Д. Роулингс, Армин В. Нолл, DOI:10.1126 / science.aal3271