IBM演示突破性摇摆布朗马达实现纳米颗粒精准分离

IBM研究院今日宣布首次实现纳米颗粒摇摆布朗马达的现实演示,成果发表于《科学》。该器件引导纳米颗粒沿工程化跑道运动,以前所未有的精度分离纳米颗粒群体。研究为材料科学、环境科学、生物化学的芯片实验室应用带来希望。
不再是童话
还记得格林童话《灰姑娘》中筛选豌豆和扁豆的情节?想象一下直径60纳米和100纳米的颗粒悬浮液——比人类头发细数千倍。传统分离需笨重滤器或复杂机械,不适合便携式芯片实验室。

IBM科学家Armin Knoll博士在瑞士实验室中的实验装置。
摇摆布朗马达
自然界中,分子马达——沿微管运输货物的微小行走者——以极少燃料完成此任务。它们利用布朗运动——水分子碰撞导致的颗粒随机抖动,爱因斯坦1905年首次定量描述了这一现象。
布朗马达利用不对称棘轮将随机性转化为定向功。振荡外力推动颗粒对抗棘轮齿,使其单向易通过、反向受阻——有效引导颗粒定向运动。
构建颗粒分离新器件
我们从热驱动硅针尖开始,利用热扫描探针光刻——曾在2014年制造世界最小杂志封面——在聚合物层上刻蚀三维地貌。

IBM研究员Christian Schwemmer博士准备含60nm和100nm金球的水滴。
为区分两种粒径,我们集成了两组齿形不同的对向棘轮。将含60nm和100nm金球的液滴置于结构上,覆盖薄玻璃板留微小间隙。静电相互作用使颗粒远离玻璃和齿尖。因大颗粒较少啮合大齿,两者反向运动——60nm球右摇,100nm球左移——几秒内完成分离。
配套理论模型预测该器件可分离5-100nm颗粒,径向差异小至1nm。实验数据与理论完美吻合,确认无隐藏效应。
跨领域应用
紧凑设计仅耗5V,无需压力或流动,适合分析DNA、蛋白质、量子点等纳米颗粒微量样本的芯片实验室平台。也可用于饮用水超微污染物传感器阵列,惠及材料科学、生物化学、环境研究。
IBM在纳米结构制造和微流控的专长支撑了这一突破;器件性能取决于单步光刻的精度。
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
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