Oggi, il nostro team di ricerca IBM ha pubblicato la prima dimostrazione nel mondo reale di un motore browniano oscillante per nanoparticelle nella rivista peer-review Scienza . I motori spingono le particelle su scala nanometrica lungo circuiti predefiniti per consentire ai ricercatori di separare le popolazioni di nanoparticelle con una precisione senza precedenti. I risultati riportati mostrano un grande potenziale per applicazioni lab-on-a-chip nella scienza dei materiali, scienze ambientali o biochimica.

Niente più favole

Ricordi la versione Grimm di Cenerentola quando doveva raccogliere piselli e lenticchie dalle ceneri? Ora immagina che al posto di piselli e lenticchie tu abbia una sospensione di nanoparticelle, che misurano solo 60 nanometri (nm) e 100 nm, ovvero 1, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano. Utilizzando i metodi precedenti, si potrebbero separare con un filtro complicato o macchine, tuttavia questi sono troppo ingombranti e complessi per essere integrati in un lab-on-a-chip portatile.

Motore Browniano a dondolo

Per affrontare questo, prendiamo ispirazione dalla natura. Nelle nostre cellule i motori molecolari sono minuscoli camminatori che trasportano il carico lungo i binari guida dei microtubuli con un consumo minimo di carburante. Sono parte integrante della contrazione muscolare del nostro corpo. Questi motori sono affascinanti perché superano e addirittura sfruttano il movimento casuale che le particelle delle dimensioni dei camminatori tipicamente sperimentano a questa scala, detto moto browniano. questo caotico, il movimento tremolante delle particelle è causato dalle molecole d'acqua, che si scontrano casualmente con le particelle. Fatto divertente, fu Albert Einstein a dare per primo una descrizione corretta del moto browniano nel 1905.

Un motore browniano converte questo movimento casuale in lavoro meccanico forzando la casualità in un movimento rettilineo delle particelle. A questo scopo gli scienziati usano il principio simile a un cacciavite a cricchetto, in cui i denti asimmetrici consentono il movimento in una direzione, ma non nell'altro.

Inoltre, viene utilizzata una forza esterna oscillante, che spinge le particelle contro i denti del cricchetto. Per le particelle è molto più facile far passare i denti in una direzione, con conseguente movimento diretto delle particelle. Un motore browniano non produce moto diretto, impedisce solo alle particelle di muoversi all'indietro.

Costruire un nuovo dispositivo per la separazione delle particelle

Per cominciare abbiamo usato un minuscolo, punta in silicone riscaldabile con un apice appuntito per creare un paesaggio 3D per nanoparticelle "cesellando" via il materiale di uno strato polimerico. Questa tecnica è chiamata litografia con sonda a scansione termica. È stato utilizzato per creare la copertina di una rivista più piccola al mondo nel 2014.

Poiché volevamo separare due diversi tipi di particelle, abbiamo combinato due cricchetti con direzioni di trasporto opposte che avevano denti di dimensioni diverse. Abbiamo quindi messo una goccia d'acqua contenente le piccole sfere d'oro da 60 nm e 100 nm sui cricchetti e l'abbiamo coperta con un vetro sottile, lasciando un piccolo spazio tra la punta dei denti e il vetro. A causa dell'interazione elettrostatica tra le superfici cariche e le particelle, le particelle galleggiano nel liquido con la massima distanza possibile dal vetro e dai denti. Poiché è meno probabile che una particella di dimensioni maggiori esplori il cricchetto avendo i denti più grandi, le sfere si muovevano in direzioni opposte e si separavano. Le particelle da 60 nm oscillavano verso destra e le particelle da 100 nm sul lato sinistro del sistema in pochi secondi.

Un modello, che abbiamo anche pubblicato sul giornale, suggerisce che il nostro dispositivo può separare particelle di dimensioni comprese tra 5 nm e 100 nm e con una differenza radiale di appena 1 nm. Siamo molto fiduciosi che non ci siano effetti nascosti significativi nel sistema poiché si comporta esattamente come previsto dalla teoria e possiamo misurare tutti i parametri fisici rilevanti.

Possibili applicazioni in vari campi

Il nostro dispositivo ha un ingombro molto ridotto, utilizza solo 5 volt e, a differenza degli strumenti esistenti, non necessita di alcuna pressione o flusso. Ciò lo rende ideale per applicazioni lab-on-chip, ad es. per un'analisi dimensionale di particelle come il DNA, proteine, punti quantici e altre nanoparticelle in piccoli volumi di liquidi. Potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di campi di ricerca come la scienza dei materiali, biochimica o ricerca ambientale. Si potrebbe pensare a strutture che consegnano i nano-oggetti di interesse a sensori per rilevare quantità ultra-piccole, come gli inquinanti su scala nanometrica nella nostra acqua potabile.

Lo sviluppo di un tale dispositivo si è basato sulle capacità di IBM nella fabbricazione di nanostrutture e sulle sue conoscenze nella microfluidica. Infatti, è affascinante considerare che il funzionamento e le prestazioni del dispositivo sono determinati dalla precisione di un singolo passaggio litografico utilizzato per fabbricare il dispositivo.