IBM-onderzoekers demonstreren baanbrekende Rocking Brownian Motors voor precieze nanodeeltjesscheiding

Vandaag kondigde IBM Research de eerste real-world demonstratie van een rocking Brownian motor voor nanopartikelen aan, gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Science. Het apparaat leidt nanoschaal deeltjes langs ingenieursmatig ontworpen baantjes, wat onderzoekers in staat stelt om nanopartikelpopulaties met ongekende precisie te scheiden. Deze bevindingen bieden perspectief voor lab-on-a-chip toepassingen in materiaalwetenschap, milieukunde en biochemie.

Geen meer sprookjes

Herinner je je het Grimm-sprookje van Assepoester, die erwtjes en bonen moest ziften? Stel je in plaats daarvan een suspensie van 60-nanometer en 100-nanometer deeltjes voor – duizenden keer kleiner dan de diameter van een menselijk haar. Eerdere scheidingsmethoden vereisten bulke filters of complexe machines, ongeschikt voor draagbare lab-on-a-chip apparaten.

IBM-wetenschapper Dr. Armin Knoll met de experimentele opstelling in zijn lab in Zwitserland.

Rocking Brownian Motor

In de natuur bereiken moleculaire motoren – kleine wandelaars die lading langs microtubuli transporteren – dit met minimaal brandstof. Ze benutten Browniaanse beweging, de willekeurige trilling van deeltjes veroorzaakt door botsingen met watermoleculen, een fenomeen dat voor het eerst kwantitatief beschreven werd door Albert Einstein in 1905.

Een Brownian motor benut deze willekeurigheid, converterend het in gerichte werk door een asymmetrische ratchet te gebruiken. Een oscillerende externe kracht duwt deeltjes tegen de ratchet-tanden, wat een gemakkelijkere passage in één richting toestaat terwijl terugwaartse beweging geblokkeerd wordt – effectief de deeltjes sturende.

Een nieuw apparaat bouwen voor deeltjesscheiding

We begonnen met een thermisch geactueerde siliciumpunt met een scherpe top, die een 3-dimensionaal landschap in een polymerlaag graveerde via thermische scanning probe lithografie – een benadering die in 2014 de kleinste terwereld tijdschriftomslag produceerde.

IBM-onderzoeker Dr. Christian Schwemmer bereidt een waterdruppel voor met 60 nm en 100 nm gouden spheren.

Om te discrimineren tussen twee deeltjesgroottes, integreerden we twee tegenovergestelde ratchets met verschillende tandgeometrieën. Een druppel van 60-nm en 100-nm gouden spheren werd bovenop de structuur geplaatst, daarna bedekt met een dunne glasplaat, wat een minimale gat achterliet. Electrostatische interacties hielden de deeltjes op maximale afstand van het glas en de tanden. Omdat grotere deeltjes minder frequent de grotere tanden benaderen, bewogen ze in tegenovergestelde richtingen – 60-nm spheren schommelen rechts, 100-nm spheren bewegen links – binnen seconden.

Ons bijbehorende model, gepubliceerd naast het paper, voorspelt dat het apparaat deeltjes van 5 nm tot 100 nm kan scheiden, met een radiale verschil van slechts 1 nm. Experimentele data stemmen perfect met de theorie, wat bevestigt dat er geen verborgen effecten zijn.

Toepassingen in diverse velden

Het compacte ontwerp verbruikt slechts 5 V en werkt zonder druk of stroom, wat het ideaal maakt voor lab-on-a-chip platforms die kleine volumes DNA, eiwitten, quantum dots en andere nanopartikelen analyseren. Het kan ook sensorarrays ondersteunen die ultra-kleine verontreinigingen in drinkwater detecteren, wat materiaalwetenschap, biochemie en milieukundig onderzoek ten goede komt.

IBM's expertise in nanostructuurgfabricatie en microfluidica vormt de basis van deze doorbraak; de prestaties van het apparaat hangen af van de precisie van een enkele lithografische stap.

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