IBM-wetenschappers demonstreren als eerste Brownian Motors voor nanodeeltjes

Vandaag heeft ons IBM Research-team de eerste echte demonstratie van een schommelende Brownse motor voor nanodeeltjes gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Science . De motoren stuwen nanodeeltjes langs vooraf gedefinieerde racetracks om onderzoekers in staat te stellen nanodeeltjespopulaties met ongekende precisie te scheiden. De gerapporteerde bevindingen laten een groot potentieel zien voor lab-on-a-chip-toepassingen in materiaalwetenschap, milieuwetenschappen of biochemie.

Geen sprookjes meer

Herinner je je de Grimm-versie van Assepoester nog toen ze erwten en linzen uit de as moest plukken? Stel je nu voor dat je in plaats van erwten en linzen een suspensie van nanodeeltjes hebt, die slechts 60 nanometer (nm) en 100 nm groot zijn - dat is 1000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar. Met behulp van eerdere methoden zou je ze kunnen scheiden met een ingewikkeld filter of machines, maar deze zijn te omvangrijk en complex om te worden geïntegreerd in een handheld lab-on-a-chip.

IBM-wetenschapper Dr. Armin Knoll met de opzet van het experiment in zijn lab in Zwitserland.

Schommelende Brownse motor

Om dit aan te pakken, halen we inspiratie uit de natuur. In onze cellen zijn moleculaire motoren kleine rollators die vracht vervoeren langs microtubuli-geleidingssporen met minimaal brandstofverbruik. Ze zijn een integraal onderdeel van de spiercontractie in ons lichaam. Deze motoren zijn fascinerend omdat ze de willekeurige beweging overwinnen en zelfs exploiteren die deeltjes ter grootte van de wandelaars typisch ervaren op deze schaal, de zogenaamde Brownse beweging. Deze chaotische, trillende beweging van de deeltjes wordt veroorzaakt door de watermoleculen, die willekeurig tegen deeltjes botsen. Leuk weetje, het was Albert Einstein die in 1905 voor het eerst een correcte beschrijving van de Brownse beweging gaf.

Een Brownse motor zet deze willekeurige beweging om in mechanische arbeid door de willekeur in een rechte deeltjesbeweging te forceren. Voor dit doel gebruiken wetenschappers het principe vergelijkbaar met een ratelschroevendraaier, waarbij asymmetrische tanden beweging in de ene richting toestaan, maar niet in de andere.

Bovendien wordt een oscillerende externe kracht gebruikt, die de deeltjes tegen de rateltanden duwt. Voor de deeltjes is het veel gemakkelijker om de tanden in één richting te passeren, wat resulteert in de gerichte beweging van de deeltjes. Een Brownse motor produceert geen gerichte beweging, hij voorkomt alleen dat deeltjes achteruit bewegen.

Een nieuw apparaat bouwen voor deeltjesscheiding

Om te beginnen gebruikten we een kleine, verwarmbare siliconentip met een scherpe apex om een ​​3D-landschap voor nanodeeltjes te creëren door materiaal van een polymeerlaag weg te "beitelen". Deze techniek wordt thermische scanning probe lithografie genoemd. Het werd in 2014 gebruikt om 's werelds kleinste tijdschriftomslag te maken.

IBM-onderzoeker Dr. Christian Schwemmer maakt een waterdruppel met daarin de kleine gouden bolletjes van 60 nm en 100 nm.

Omdat we twee verschillende soorten deeltjes wilden scheiden, combineerden we twee ratels met tegengestelde transportrichtingen die tanden van verschillende grootte hadden. Vervolgens hebben we een waterdruppel met de kleine gouden bolletjes van 60 nm en 100 nm op de ratels geplaatst en deze bedekt met een dun glas, waardoor er een kleine opening tussen de uiteinden van de tanden en het glas overblijft. Door de elektrostatische interactie tussen de geladen oppervlakken en deeltjes drijven de deeltjes in de vloeistof met de grootst mogelijke afstand tot het glas en de tanden. Omdat een deeltje van grotere grootte minder snel de ratel met de grotere tanden zal verkennen, bewogen de bollen in tegengestelde richtingen en werden ze gescheiden. De deeltjes van 60 nm schommelden binnen enkele seconden naar rechts en de deeltjes van 100 nm naar de linkerkant van het systeem.

Een model, dat we ook in de krant hebben gepubliceerd, suggereert dat ons apparaat deeltjes kan scheiden van 5 nm tot 100 nm in grootte en met een radiaal verschil van slechts 1 nm. We zijn er zeker van dat er geen significante verborgen effecten in het systeem zijn, aangezien het zich precies gedraagt ​​zoals voorspeld door de theorie en we alle relevante fysieke parameters kunnen meten.

Toepassingen op verschillende gebieden mogelijk

Ons apparaat heeft een zeer kleine footprint, gebruikt slechts 5 volt en heeft, in tegenstelling tot bestaande gereedschappen, geen druk of stroming nodig. Dit maakt het ideaal voor lab-on-chip-toepassingen, b.v. voor een grootte-analyse van deeltjes zoals DNA, eiwitten, kwantumdots en andere nanodeeltjes in kleine vloeistofvolumes. Het kan worden gebruikt in een breed scala van onderzoeksgebieden, zoals materiaalwetenschap, biochemie of milieuonderzoek. Je zou kunnen denken aan structuren die de nano-objecten van belang aan sensoren leveren om ultrakleine hoeveelheden te detecteren, zoals verontreinigende stoffen op nanoschaal in ons drinkwater.

De ontwikkeling van een dergelijk apparaat was gebaseerd op de mogelijkheden van IBM op het gebied van fabricage van nanostructuren en zijn kennis op het gebied van microfluïdica. Het is zelfs fascinerend om te bedenken dat de werking en prestaties van het apparaat worden bepaald door de precisie van een enkele lithografische stap die wordt gebruikt om het apparaat te fabriceren.