"록킹"브라운 모터가 나노 입자를 밀어냅니다

액체 나 기체에서 서로 튕겨 나오는 원자와 분자의 일정한 움직임을 브라운 운동 (Brownian motion )이라고 하며, 분자 규모 기계가 거시적 물체를 만들기 위해 일관되게 작동하는 분자 나노 기술 (MNT) 을 억제 한  것으로 보입니다  .

이제 IBM 취리히의 연구원들은 브라운 유체를 사용하지 않고 나노 입자를 분류, 분리 및 이동하기위한 모터를 만들기 위해 브라운 운동을 사용하는 새로운 기술을 개발했습니다. IBM 과학자들은 자신의 연구를 Science 저널에 설명했으며 , 이것이 환경 과학 또는 생화학을위한 랩온 칩 애플리케이션으로 이어질 수 있다고 생각합니다.

과거에 Brownian 모터가 개발되었지만 주로 Brownian "깜박임"래칫에 초점을 맞췄습니다. 이 소위 플래싱 모터는 에너지 환경 (또는 전위)을 "플래시"하기 때문에 이름이 붙여집니다. 즉, 일정 시간 동안 전원을 껐다가 다시 켜십시오.

전위가 꺼져 있으면 입자가 모든 방향으로 확산됩니다. 스위치를 켜면 전위의 비대칭 성이 최소값으로 비대칭 입자를 수집합니다. 예를 들어, 왼쪽보다 오른쪽에서 더 많은 입자가 수집되면 오른쪽으로 입자가 효과적으로 움직입니다. 

IBM 과학자들이 한 일은“락”브라운 모터라고하는 것입니다. 전기장을 통한 입자에 대한 힘은 에너지 환경의 "락"또는 기울기로 해석 될 수 있기 때문에이 이름을 얻습니다. 가장 중요한 것은 이러한 종류의 브라운 모터로 에너지 환경이 고정되어 있다는 것입니다.

로킹 브라우닝 모터의 대부분의 이전 구현은 샘플 표면에서 사전 패턴 화 된 전극 사이에 유전력을 사용하여 전환 가능한 비대칭 전위를 생성했습니다. 불행히도이 설계에서 입자가 1 미크론보다 작아지면 이러한 힘이 너무 약합니다. 이는 1 미크론보다 큰 플라스틱 입자로의 사용을 제한했다.

IBM Research-Zurich의 박사 후 물리학 자 이자 논문의 공동 저자 인 Christian Schwemmer 는“우리의 모터는 나노 입자에 작용하는 최초의 흔들리는 브라운 모터입니다 . “우리의 구현은 하전 된 표면의 정전기와 함께 작동하며 최소한 5 나노 미터의 입자 크기까지 작동합니다. 따라서 DNA, 단백질 및 기타 생물학적 관련 개체와 같은 입자에 접근 할 수있게되었습니다.”

IBM Research Zurich의 나노 스케일 시스템 과학자 인 Armin Knoll 에 따르면이 디바이스의 핵심은 3D 패턴 표면 이다.

Knoll은이 패턴을 세로 방향으로 톱니가있는 3D 톱니 패턴으로 설명합니다. 연구진은 스캐닝 프로브 리소그래피 를 사용하여 1nm 깊이의 톱니 패턴을 생성했습니다.

패터닝이 완료된 후, 수성 나노 입자 현탁액의 액 적이 패턴 상에 증착되고 이후 유리 커버 슬립으로 덮힌 다. 패턴 화 된 필름의 표면까지의 유리 거리는 ~ 150nm로 조정된다.

Knoll은 물에서 모든 표면이 음으로 하전되고 (유리, 패턴, 입자) 입자가 표면에서 반발된다고 설명했습니다. "간격이 작은 두 치아 표면 사이를 꽉 쥐는 데 더 많은 에너지가 필요하다"고 덧붙였다.

Knoll에 따르면 이것은 표면 패턴의 에너지 환경이며, 이로 인해 나노 입자는 3D 패턴을 따릅니다. 이 에너지 환경은 톱니 모양 (래칫)의 형태를 갖지만, 브라운 운동이 있더라도 입자가 한 방향으로 움직이기 시작하지 않을 것이라고 경고합니다. 이러한 움직임을 얻기 위해서는 진동 전기장이 적용되어야합니다.

"필드는 필드와 함께 진동하는 나노 채널에서 물의 흐름을 유도합니다." 항력에 의해 물은 입자를 앞뒤로 흔들면서 움직입니다. 톱니 에너지 지형은 나노 입자가 톱니 에너지 지형의 얕은 경사면보다 가파른 경사면 위로 이동하기가 훨씬 어렵 기 때문에이 동작을 수정합니다.”

이 설계에서 입자는 얕은 경사 방향을 따라 흐르기 시작합니다. 다시 말해, 진동하는 전기장은 입자를 앞뒤로 움직이고 톱니가 가로 방향으로 입자가 뒤로 움직이지 못하게합니다.

IBM 연구원들이 실험 한 장치가 랩온 칩 애플리케이션을 갖는 것처럼 보이지만이 기술에는 다른 랩온 칩 디바이스와 차별화되는 두 가지 기능이 있습니다.

Schwemmer는“첫 번째 특징은 모터가 순 유체 흐름없이 직접 입자를 운반 할 수 있다는 것입니다. "두 번째는 입자 분리에서 전례없는 해상도에 도달한다는 것입니다."

연구자들은이 장치의 성능을 예측하기 위해 개발 한 모델에서 크기 차이가 1 nm만으로 두 개의 나노 입자 집단을 분리 할 수 ​​있음을 발견했습니다. 실제로, 40 nm 및 41 nm 입자는 다른 방향으로 분류 될 수 있습니다. 이 때문에 연구원들은 식수의 나노 규모 오염 물질과 같은 초 소량을 탐지하는 데 사용될 수 있다고 생각합니다.

Knoll은 순 유체 흐름없이 나노 입자를 크기 선택적으로 운반 할 수있는 모터의 능력은이 장치가 입자 분류 및 분리에 이상적이라고 생각합니다. "우리의 모터에 유체 흐름이 필요하지 않다는 사실은 흐름 기반 장치를 고압에서 작동해야하기 때문에 큰 이점입니다."라고 Knoll은 덧붙였습니다.

Knoll에 따르면 분리 장치로서 풋 프린트는 매우 작고 몇 볼트의 전위 만 필요하므로 모바일 또는 핸드 헬드 Lab-on-Chip 장치에 이상적입니다. 대조적으로, 단백질 또는 핵산을 분리하기 위해 일반적으로 사용되는 전기 영동은 100 볼트 이상을 필요로한다.

상용 상용 장치가 되려면 장치를 입력 및 출력 포트를 제어 할 수있는 미세 유체 칩에 통합해야합니다. 또한 애플리케이션의 흥미로운 처리량에 도달하려면 센티미터 범위에서 더 커야합니다. 마지막으로, 실제 응용의 경우, 원하지 않는 생체 물질 침착을 방지하기 위해 표면을 덮어야합니다.