IBM 科学家率先演示用于纳米粒子的摇摆布朗马达

今天，我们的 IBM 研究团队在同行评审期刊科学上发表了第一个真实世界的纳米粒子摇摆布朗电机演示 .电机沿着预定的跑道推动纳米级粒子，使研究人员能够以前所未有的精度分离纳米粒子群。报告的研究结果表明，芯片实验室在材料科学、环境科学或生物化学方面的应用潜力巨大。

不再有童话

你还记得格林版的灰姑娘，当她不得不从灰烬中挑选豌豆和扁豆时吗？现在想象一下，不是豌豆和小扁豆，而是纳米颗粒的悬浮液，它们的大小只有 60 纳米 (nm) 和 100 纳米——比人的头发直径小 1,000 倍。使用以前的方法，人们可以用复杂的过滤器或机器将它们分开，但是这些都过于庞大和复杂，无法集成到手持式芯片实验室中。

IBM 科学家Armin Knoll 博士在他位于瑞士的实验室中进行了实验设置。

摇摆布朗马达

为了解决这个问题，我们从大自然中汲取灵感。在我们的细胞中，分子马达是微小的步行器，它们沿着微管引导轨道以最少的燃料消耗运输货物。它们是我们身体肌肉收缩的一个组成部分。这些马达很吸引人，因为它们克服甚至利用了步行者大小的粒子通常在这种尺度上经历的随机运动，称为布朗运动。粒子的这种混沌、颤抖的运动是由与粒子随机碰撞的水分子引起的。有趣的是，阿尔伯特·爱因斯坦在 1905 年首次正确描述了布朗运动。

布朗电机通过将随机性强制转换为直线粒子运动，将这种随机运动转换为机械功。为此，科学家们使用了类似于棘轮螺丝刀的原理，其中不对称的齿允许向一个方向移动，但不允许向另一个方向移动。

此外，使用振荡外力将颗粒推向棘轮齿。对于颗粒，更容易在一个方向上通过齿，从而导致颗粒的定向运动。布朗马达不会产生定向运动，它只会阻止粒子向后移动。

构建新的颗粒分离装置

首先，我们使用了一个带有尖锐顶点的微小、可加热的硅尖端，通过“凿掉”聚合物层的材料来为纳米粒子创建 3D 景观。这种技术称为热扫描探针光刻。早在 2014 年，它就被用来制作世界上最小的杂志封面。

IBM 研究员Christian Schwemmer 博士准备了含有 60 nm 和 100 nm 小金球的水滴。

由于我们想分离两种不同类型的颗粒，我们将两个具有不同大小齿的传输方向相反的棘轮组合在一起。然后，我们将含有 60 nm 和 100 nm 小金球的水滴放在棘轮上，并用薄玻璃盖住它，在齿尖和玻璃之间留下微小的间隙。由于带电表面和颗粒之间的静电相互作用，颗粒漂浮在液体中，离玻璃和牙齿的距离尽可能远。由于较大的颗粒不太可能探索具有较大齿的棘轮，因此球体向相反的方向移动并被分开。仅在几秒钟内，60 nm 的粒子就会摇晃到系统的右侧，而 100 nm 的粒子会摇晃到系统的左侧。

我们也在论文中发表的一个模型表明，我们的设备可以分离大小从 5 nm 到 100 nm 且径向差异仅为 1 nm 的粒子。我们非常有信心系统中没有显着的隐藏效应，因为它的行为与理论预测的完全一致，我们可以测量所有相关的物理参数。

可能在各个领域的应用

我们的设备占地面积非常小，仅使用 5 伏电压，并且与现有工具相比，不需要任何压力或流量。这使其成为芯片实验室应用的理想选择，例如用于对微小液体体积中的 DNA、蛋白质、量子点和其他纳米粒子等粒子进行尺寸分析。它可用于广泛的研究领域，如材料科学、生物化学或环境研究。人们可以想到将感兴趣的纳米物体传送到传感器的结构，以检测超微量，例如饮用水中的纳米级污染物。

这种设备的开发基于 IBM 在纳米结构制造方面的能力及其在微流体方面的知识。事实上，考虑到器件的操作和性能取决于用于制造器件的单个光刻步骤的精度，这是很有趣的。

纳米流体摇摆布朗马达， Michael J. Skaug、Christian Schwemmer、Stefan Fringes、Colin D. Rawlings、Armin W. Knoll，DOI：10.1126/science.aal3271