IBM研究者ら、画期的な揺動ブラウン運動モーターでナノ粒子精密分離を実証

本日、IBMリサーチはナノ粒子向け揺動ブラウン運動モーターの初実証を発表し、査読誌『Science』に掲載されました。このデバイスはナノスケール粒子を設計されたラチェット軌道上で誘導し、ナノ粒子集団を前例のない精度で分離可能にします。これらの知見は、材料科学、環境科学、生化学におけるラボオンチップ応用に大きな期待を抱かせます。

もはやおとぎ話ではない

グリム童話のシンデレラが豆とレンズ豆を選り分ける場面を思い出してください。代わりに、直径60ナノメートルと100ナノメートルの粒子懸濁液—人間の髪の毛の直径の数千分の一—を想像してください。従来の分離法には巨大なフィルターや複雑な機械が必要で、携帯型ラボオンチップデバイスには不向きでした。

スイスの研究室で実験セットアップと共にいるIBM科学者アルミン・ノール博士。

揺動ブラウン運動モーター

自然界では、分子モーター—微小な歩行者が微小管に沿って貨物を運ぶ—が最小限の燃料でこれを達成します。それらはブラウン運動、すなわち水分子との衝突による粒子のランダムな揺らぎを利用します。この現象は1905年にアルベルト・アインシュタインによって定量的に記述されました。

ブラウン運動モーターはこのランダム性を利用し、非対称ラチェットを用いて方向性のある仕事に変換します。振動する外力が粒子をラチェットの歯に押し付け、一方向への通過を容易にし、逆方向を阻害することで、粒子を操向します。

粒子分離用新デバイスの構築

鋭い先端を持つ熱駆動シリコンチップで始め、熱走査プローブリソグラフィーによりポリマー層に3次元景観を彫刻しました。このアプローチは2014年に世界最小の雑誌表紙を作成したことでも知られます。

60nmと100nmの金球を含む水滴を準備するIBM研究者クリスチャン・シュウェンマー博士。

2つの粒子サイズを識別するため、異なる歯形状を持つ2つの対向ラチェットを統合しました。60nmと100nmの金球の液滴を構造上に置き、薄いガラス板で覆い、最小限の隙間を残しました。静電相互作用により粒子はガラスと歯から最大距離を保ちます。大きな粒子は大きな歯との係合頻度が低いため、相反する方向へ移動します—60nm球は右へ、100nm球は左へ—数秒で分離されます。

論文と共に発表されたモデルは、5nmから100nmの粒子を、半径差わずか1nmで分離可能と予測しています。実験データは理論と完全に一致し、隠れた効果がないことを確認しています。

分野横断的応用

コンパクトな設計はわずか5Vで動作し、圧力や流れを必要としないため、DNA、タンパク質、量子ドット、その他ナノ粒子の微小体積を分析するラボオンチッププラットフォームに最適です。また、飲料水中の超微小汚染物質を検出するセンサーアレイにも応用でき、材料科学、生化学、環境研究に貢献します。

IBMのナノ構造製造と微流体技術の専門知識がこのブレークスルーを支えており、デバイス性能は単一リソグラフィーステップの精度にかかっています。

Nanofluidic Rocking Brownian Motors, Michael J. Skaug, Christian Schwemmer, Stefan Fringes, Colin D. Rawlings, Armin W. Knoll, DOI: 10.1126/science.aal3271