IBM demonstriert bahnbrechende „Rocking Brownian Motors“ für präzise Nanopartikel-Trennung

IBM Research kündigte heute die erste Realwelt-Demonstration eines „Rocking Brownian Motors“ für Nanopartikel an, veröffentlicht im peer-reviewten Journal Science. Das Gerät führt nanoskalige Partikel entlang konstruierter Rennstrecken und ermöglicht Forschern, Nanopartikel-Populationen mit beispielloser Präzision zu trennen. Diese Ergebnisse versprechen Anwendungen für Lab-on-a-Chip in Materialwissenschaft, Umweltwissenschaft und Biochemie.

Keine Märchen mehr

Erinnern Sie sich an das Grimm-Märchen von Aschenputtel, die Erbsen und Linsen sieben musste? Stellen Sie sich stattdessen eine Suspension aus 60-Nanometer- und 100-Nanometer-Partikeln vor – tausendmal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haars. Bisherige Trennmethoden erforderten voluminöse Filter oder komplexe Maschinen, ungeeignet für tragbare Lab-on-a-Chip-Geräte.

Rocking Brownian Motor

In der Natur erreichen molekulare Motoren – winzige Walker, die Fracht entlang von Mikrotubuli transportieren – dies mit minimalem Treibstoff. Sie nutzen Brownsche Bewegung, das zufällige Zittern von Partikeln durch Kollisionen mit Wassermolekülen, ein Phänomen, das Albert Einstein 1905 erstmals quantitativ beschrieb.

Ein Brownscher Motor nutzt diese Zufälligkeit, indem er sie in gerichtete Arbeit umwandelt durch einen asymmetrischen Rechen. Eine oszillierende externe Kraft stößt Partikel gegen die Rechenzähne, was den Durchgang in eine Richtung erleichtert und die Rückwärtsbewegung blockiert – effektiv werden die Partikel gesteuert.

Aufbau eines neuen Geräts zur Partikeltrennung

Wir begannen mit einer thermisch betätigten Siliziumspitze mit scharfer Apex, die eine 3-dimensionale Landschaft in eine Polymerschicht via thermischer Rastertunnellithografie gravierte – ein Ansatz, der 2014 das kleinste Magazin-Cover der Welt produzierte.

Um zwischen zwei Partikelgrößen zu diskriminieren, integrierten wir zwei entgegengesetzte Rechen mit unterschiedlichen Zahngеometrien. Ein Tropfen mit 60-nm- und 100-nm-Goldkugeln wurde auf die Struktur gegeben und mit einer dünnen Glasplatte abgedeckt, wobei ein minimaler Spalt verblieb. Elektrostatische Wechselwirkungen hielten die Partikel auf maximalem Abstand vom Glas und den Zähnen. Da größere Partikel seltener mit den größeren Zähnen interagieren, bewegten sie sich in entgegengesetzte Richtungen – 60-nm-Kugeln nach rechts, 100-nm-Kugeln nach links – innerhalb von Sekunden.

Unser begleitendes Modell, gemeinsam mit dem Paper veröffentlicht, sagt voraus, dass das Gerät Partikel von 5 nm bis 100 nm trennen kann, mit einem radialen Unterschied von nur 1 nm. Experimentelle Daten stimmen perfekt mit der Theorie überein, was bestätigt, dass keine verdeckten Effekte vorliegen.

Anwendungen across Feldern

Das kompakte Design verbraucht nur 5 V und arbeitet ohne Druck oder Strömung, was es ideal für Lab-on-a-Chip-Plattformen macht, die winzige Volumen von DNA, Proteinen, Quantenpunkten und anderen Nanopartikeln analysieren. Es könnte auch Sensormatrizen unterstützen, die ultra-kleine Kontaminanten im Trinkwasser detektieren, was Materialwissenschaft, Biochemie und Umweltforschung zugutekommt.

IBMs Expertise in Nanostrukturfertigung und Mikrofluidik untermauert diesen Durchbruch; die Leistung des Geräts hängt von der Präzision eines einzelnen lithografischen Schritts ab.

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