IBM-Wissenschaftler demonstrieren als erstes rockige Brownsche Motoren für Nanopartikel

Heute hat unser IBM Research-Team die erste reale Demonstration eines schaukelnden Brownschen Motors für Nanopartikel im Peer-Review-Journal Science . veröffentlicht . Die Motoren treiben nanoskalige Partikel entlang vordefinierter Rennstrecken, um es den Forschern zu ermöglichen, Nanopartikelpopulationen mit beispielloser Präzision zu trennen. Die berichteten Ergebnisse zeigen großes Potenzial für Lab-on-a-Chip-Anwendungen in den Materialwissenschaften, Umweltwissenschaften oder Biochemie.

Keine Märchen mehr

Erinnern Sie sich an die Grimm-Version von Aschenputtel, als sie Erbsen und Linsen aus der Asche pflücken musste? Stellen Sie sich nun vor, Sie haben statt Erbsen und Linsen eine Suspension aus Nanopartikeln, die nur 60 Nanometer (nm) und 100 nm groß sind – das ist 1.000 Mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Mit bisherigen Methoden könnte man sie mit einem komplizierten Filter oder Maschinen trennen, diese sind jedoch zu sperrig und komplex, um in ein handgehaltenes Lab-on-a-Chip integriert zu werden.

IBM-Wissenschaftler Dr. Armin Knoll mit dem Versuchsaufbau in seinem Labor in der Schweiz.

Rocking Brownian Motor

Dafür lassen wir uns von der Natur inspirieren. Molekulare Motoren in unseren Zellen sind winzige Wanderer, die Fracht mit minimalem Kraftstoffverbrauch entlang von Mikrotubuli-Leitbahnen transportieren. Sie sind ein wesentlicher Bestandteil der Muskelkontraktion in unserem Körper. Diese Motoren sind faszinierend, weil sie die zufällige Bewegung, die Partikel von der Größe der Beißer in dieser Größenordnung typischerweise erfahren, die als Brownsche Bewegung bezeichnet wird, überwinden und sogar ausnutzen. Diese chaotische, zitternde Bewegung der Partikel wird durch die Wassermoleküle verursacht, die zufällig mit Partikeln kollidieren. Lustige Tatsache, es war Albert Einstein, der 1905 zum ersten Mal eine korrekte Beschreibung der Brownschen Bewegung gab.

Ein Brownscher Motor wandelt diese zufällige Bewegung in mechanische Arbeit um, indem er die Zufälligkeit in eine gerade Partikelbewegung zwingt. Wissenschaftler verwenden dazu das Prinzip ähnlich einem Ratschenschraubendreher, bei dem asymmetrische Zähne eine Bewegung in die eine, aber nicht in die andere Richtung zulassen.

Außerdem wird eine oszillierende äußere Kraft verwendet, die die Partikel gegen die Sperrzähne drückt. Für die Partikel ist es viel einfacher, die Zähne in eine Richtung zu passieren, was zu einer gerichteten Bewegung der Partikel führt. Ein Brownscher Motor erzeugt keine gerichtete Bewegung, er verhindert nur, dass sich Partikel rückwärts bewegen.

Neues Gerät zur Partikelabscheidung bauen

Zunächst haben wir eine winzige, beheizbare Siliziumspitze mit scharfer Spitze verwendet, um eine 3D-Landschaft für Nanopartikel zu erzeugen, indem wir Material einer Polymerschicht „wegmeißeln“. Diese Technik wird als thermische Rastersondenlithographie bezeichnet. Es wurde 2014 verwendet, um das kleinste Magazin-Cover der Welt zu erstellen.

IBM-Forscher Dr. Christian Schwemmer bereitet einen Wassertropfen vor, der die 60 nm und 100 nm kleinen Goldkügelchen enthält.

Da wir zwei verschiedene Arten von Partikeln trennen wollten, haben wir zwei Ratschen mit entgegengesetzter Transportrichtung und unterschiedlich großen Zähnen kombiniert. Dann haben wir einen Wassertropfen mit den 60 nm und 100 nm kleinen Goldkügelchen auf die Ratschen gegeben und mit einem dünnen Glas bedeckt, so dass eine winzige Lücke zwischen den Zahnspitzen und dem Glas verbleibt. Durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen geladenen Oberflächen und Partikeln schweben die Partikel in der Flüssigkeit mit größtmöglichem Abstand zu Glas und Zähnen. Da ein Partikel größerer Größe weniger wahrscheinlich die Ratsche mit den größeren Zähnen durchdringt, bewegten sich die Kugeln in entgegengesetzte Richtungen und wurden getrennt. Die 60-nm-Partikel schaukelten innerhalb weniger Sekunden nach rechts und die 100-nm-Partikel zur linken Seite des Systems.

Ein Modell, das wir auch in der Veröffentlichung veröffentlicht haben, legt nahe, dass unser Gerät Partikel mit einer Größe von 5 nm bis 100 nm und einer radialen Differenz von nur 1 nm trennen kann. Wir sind sehr zuversichtlich, dass es keine signifikanten versteckten Effekte im System gibt, da es sich genau so verhält, wie es die Theorie vorhersagt und wir alle relevanten physikalischen Parameter messen können.

Bewerbungen in verschiedenen Bereichen möglich

Unser Gerät hat einen sehr geringen Platzbedarf, verbraucht nur 5 Volt und benötigt im Gegensatz zu bestehenden Werkzeugen weder Druck noch Durchfluss. Damit ist es ideal für Lab-on-Chip-Anwendungen wie z.B. zur Größenanalyse von Partikeln wie DNA, Proteinen, Quantenpunkten und anderen Nanopartikeln in winzigen Flüssigkeitsvolumina. Es könnte in einem breiten Spektrum von Forschungsbereichen wie Materialwissenschaften, Biochemie oder Umweltforschung eingesetzt werden. Denkbar wären Strukturen, die die interessierenden Nano-Objekte an Sensoren liefern, um kleinste Mengen zu detektieren, wie etwa nanoskalige Schadstoffe in unserem Trinkwasser.

Die Entwicklung eines solchen Geräts basierte auf den Fähigkeiten von IBM in der Nanostrukturherstellung und seinen Kenntnissen in der Mikrofluidik. Tatsächlich ist es faszinierend zu bedenken, dass der Betrieb und die Leistung des Geräts durch die Präzision eines einzelnen lithografischen Schrittes bestimmt werden, der zur Herstellung des Geräts verwendet wird.

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