IBMの科学者が最初にナノ粒子用のロッキングブラウン運動をデモ

本日、IBM Researchチームは、ピアレビュージャーナル Science で、ナノ粒子用のロッキングブラウン運動の最初の実世界でのデモンストレーションを公開しました。 。モーターは、事前定義された競馬場に沿ってナノスケール粒子を推進し、研究者が前例のない精度でナノ粒子集団を分離できるようにします。報告された調査結果は、材料科学、環境科学、または生化学におけるラボオンチップアプリケーションの大きな可能性を示しています。

おとぎ話はもうありません

彼女が灰からエンドウ豆とレンズ豆を選ばなければならなかったときのシンデレラのグリムバージョンを覚えていますか？ここで、エンドウ豆やレンズ豆の代わりに、ナノ粒子の懸濁液があると想像してください。ナノ粒子の懸濁液は、わずか60ナノメートル（nm）でサイズが100 nmで、人間の髪の毛の直径の1,000分の1です。以前の方法を使用すると、複雑なフィルターまたはマシンでそれらを分離できましたが、これらはかさばり、複雑すぎて、ハンドヘルドラボオンチップに統合できません。

IBMの科学者スイスの彼の研究室で実験をセットアップしたアーミン・ノール博士。

ロッキングブラウン運動

これに対処するために、私たちは自然からインスピレーションを得ています。私たちの細胞では、分子モーターは、最小限の燃料消費で微小管ガイドトラックに沿って貨物を輸送する小さな歩行器です。それらは私たちの体の筋肉収縮の不可欠な部分です。これらのモーターは、ブラウン運動と呼ばれる、歩行者のサイズの粒子がこのスケールで通常経験するランダムな運動を克服し、さらに活用するため、魅力的です。粒子のこの​​混沌とし​​た震える動きは、粒子とランダムに衝突する水分子によって引き起こされます。面白いことに、1905年にブラウン運動について最初に正しい説明をしたのはアルバートアインシュタインでした。

ブラウン運動は、ランダム性を粒子の真っ直ぐな動きに強制することにより、このランダムな動きを機械的な仕事に変換します。この目的のために、科学者はラチェットドライバーと同様の原理を使用します。この原理では、非対称の歯は一方向への移動を許可しますが、他の方向への移動は許可しません。

さらに、振動する外力が使用され、粒子をラチェットの歯に押し付けます。粒子の場合、歯を一方向に通過させるのがはるかに簡単であり、粒子の方向付けられた動きをもたらします。ブラウン運動は方向性のある動きを生成せず、粒子が後方に移動するのを防ぐだけです。

粒子分離用の新しいデバイスの構築

まず、鋭い頂点を持つ小さな加熱可能なシリコンチップを使用して、ポリマー層の材料を「削り取る」ことにより、ナノ粒子の3Dランドスケープを作成しました。この技術は、熱走査プローブリソグラフィーと呼ばれます。 2014年に世界最小の雑誌の表紙を作成するために使用されました。

IBMの研究者クリスチャンシュウェマー博士は、60nmと100nmの小さな金の球を含む水滴を準備します。

2つの異なるタイプの粒子を分離したかったので、異なるサイズの歯を持つ反対の輸送方向を持つ2つのラチェットを組み合わせました。次に、60nmと100nmの小さな金の球を含む水滴をラチェットに置き、薄いガラスで覆い、歯の先端とガラスの間に小さな隙間を残しました。帯電した表面と粒子の間の静電相互作用により、粒子はガラスと歯まで可能な限り長い距離で液体中に浮かんでいます。サイズが大きい粒子は、歯が大きいラチェットを探索する可能性が低いため、球は反対方向に移動し、分離されました。わずか数秒で、60 nmの粒子がシステムの右側に揺れ、100nmの粒子が左側に揺れました。

私たちがこの論文でも発表したモデルは、私たちのデバイスが5nmから100nmのサイズの粒子を分離でき、半径方向の差がわずか1nmであることを示唆しています。システムは理論によって予測されたとおりに動作し、関連するすべての物理パラメータを測定できるため、システムに重大な隠れた影響はないと確信しています。

さまざまな分野でのアプリケーションが可能

私たちのデバイスは非常に小さなフットプリントを持ち、5ボルトしか使用せず、既存のツールとは対照的に、圧力や流れを必要としません。これにより、ラボオンチップアプリケーションに最適です。小さな液体の体積に含まれるDNA、タンパク質、量子ドット、その他のナノ粒子などの粒子のサイズ分析に使用します。材料科学、生化学、環境研究など幅広い研究分野で利用できます。飲料水中のナノスケールの汚染物質など、超少量を検出するために、対象のナノオブジェクトをセンサーに送る構造を考えることができます。

このようなデバイスの開発は、ナノ構造の製造におけるIBMの能力と、マイクロフルイディクスにおけるその知識に基づいていました。実際、デバイスの動作と性能は、デバイスの製造に使用される単一のリソグラフィーステップの精度によって決定されると考えるのは魅力的です。

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ナノ流体ロッキングブラウンモーター、 Michael J. Skaug、Christian Schwemmer、Stefan Fringes、Colin D. Rawlings、Armin W. Knoll、DOI：10.1126 / science.aal3271