Le nanovalvole di nuova concezione consentono di controllare il flusso delle singole nanoparticelle nei liquidi in piccoli canali. Questo è di interesse per le applicazioni lab-on-a-chip come nella scienza dei materiali e nella biomedicina.

I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato minuscole valvole che consentono di separare e smistare le singole nanoparticelle nei liquidi. Le valvole possono essere utilizzate per una gamma molto ampia di particelle minuscole, comprese le singole nanoparticelle di metalli e semiconduttori, particelle virali, liposomi e biomolecole più grandi come gli anticorpi.

Le nanovalvole funzionano in modo diverso rispetto alle valvole classiche, che vengono utilizzati per chiudere e aprire meccanicamente il flusso nelle tubazioni, come in un rubinetto. "Queste valvole meccaniche possono essere miniaturizzate, ma non quanto ci servirebbe per applicazioni su nanoscala, " spiega il professore dell'ETH Poulikakos. "Se i canali sono più sottili di poche decine di micrometri, non possono essere chiusi e aperti meccanicamente con alcuna regolarità."

Collo di bottiglia con elettrodi

Per aprire e chiudere il flusso di nanoparticelle in canali ultrasottili, gli scienziati dell'ETH hanno fatto uso di forze elettriche. Hanno lavorato con canali incisi in un chip di silicio. Questi avevano un diametro di appena 300-500 nanometri, meno di un centesimo del diametro di un capello umano. Hanno quindi costruito nanovalvole in questi canali restringendo i canali nelle posizioni desiderate delle valvole utilizzando la nanolitografia e posizionando un elettrodo su entrambi i lati di questi colli di bottiglia.

Le nanoparticelle nell'acqua pura non possono semplicemente passare attraverso il collo di bottiglia; per loro, la valvola nel suo stato di base è chiusa. Attivando l'elettrodo in modi particolari, il campo elettrico nel collo di bottiglia può essere modificato. Questo porta ad una forza che agisce su eventuali nanoparticelle presenti, che spinge le particelle attraverso il collo di bottiglia:è così che la valvola viene "aperta".

Nanoparticelle in soluzione salina, però, si comportano diversamente:possono passare attraverso il collo di bottiglia nel suo stato di base – per loro, la valvola è "aperta". Tuttavia, come gli scienziati sono stati in grado di dimostrare, queste particelle possono essere fermate agli elettrodi attraverso un'abile applicazione di campi elettrici alternati. In questo modo, Per esempio, particelle biologiche come virus, i liposomi e gli anticorpi normalmente presenti nei fluidi salini sia in natura che in laboratorio possono essere facilmente manipolati.

Controllo delle nanoparticelle vibranti

"È fondamentalmente difficile esaminare le singole nanoparticelle in un liquido, perché il moto browniano agisce su scala nanometrica, " spiega Hadi Eghlidi, Scienziato senior nel gruppo di Poulikakos. Le minuscole particelle non rimangono ferme ma vibrano costantemente, con un raggio di movimento che è molte volte il loro diametro. "Però, possiamo catturare le molecole in un piccolo spazio tra due o più valvole e poi esaminarle al microscopio, Per esempio."

Come parte di una prova di concetto, gli scienziati hanno preparato un blocco di isolamento e smistamento con una giunzione e tre valvole su un chip di silicio (vedi immagine sopra). Una singola nanoparticella può essere catturata ed esaminata alla giunzione. Le valvole possono quindi essere controllate in modo che la particella lasci il sistema attraverso uno dei due canali di uscita, permettendo alle nanoparticelle in un liquido di essere smistate in due classi. Insieme ai colleghi dell'Università di Zurigo, i ricercatori dell'ETH sono riusciti a utilizzare il sistema per manipolare minuscole nanoparticelle di semiconduttori (punti quantici) e anticorpi, entrambi con un diametro di appena 10 nanometri.

Applicazioni Lab-on-a-chip

Come sottolineano gli scienziati, è, in linea di principio, possibile organizzare un complesso sistema di nanocanali con un numero qualsiasi di valvole controllabili su un chip di silicio. "Regolando finemente il campo elettrico agli elettrodi, in futuro potrebbe essere possibile utilizzare le valvole come filtro, lasciando passare particelle con particolari proprietà fisiche bloccandone altre, "dice Christian Höller, uno studente di dottorato nel gruppo di Poulikakos.

Gli scienziati vorrebbero ora sviluppare ulteriormente la tecnologia insieme ai partner per renderla pronta per l'uso standard nella ricerca. Poiché consente di smistare le particelle su un piccolo chip, Per esempio, potrebbe interessare la scienza dei materiali, chimica o biomedicina. Potrebbe anche essere possibile utilizzare questa tecnica per isolare particelle sintetiche o biologiche per esaminarle al microscopio o per analizzarle sotto l'influenza di farmaci.