Пілоподібна нанотекстура допомогла зробити броунівський наномотор і розділити наночастинки

Швейцарські фізики з дослідницького центру IBM розробили нанофлюїдний пристрій, в якому періодична пілоподібна текстура на одній зі стінок перетворює хаотичний тепловий рух наночастинок на спрямований. Домогтися цього вдається за рахунок електростатичної взаємодії між часткою і неоднорідним полем, створеним стінками каналу. За допомогою запропонованого методу можна змусити спрямовано рухатися частинки до 5 нанометрів, а також відокремлювати один від одного наночастинки різного розміру, пишуть вчені в.

Керувати рухом окремих наночастинок в рідинах - непросте завдання, в першу чергу через те, що на них дуже сильно впливає броунівська дифузія - хаотичний рух частинок в результаті теплового руху молекул рідини. Додатково це завдання ускладнюється в обмежених нанометрових обсягах (наприклад, в нанофлюїдних пристроях), в яких рідина знаходиться в покоящемся стані, і використання гідродинамічних методів сортування або переміщення частинок сильно обмежено. Тому броунівський рух частинок, від якого при кімнатній температурі все одно позбутися неможливо, часто пропонують використовувати в корисних цілях: наприклад, завдяки цьому можна використовувати теплову енергію для забезпечення роботи механічних наномоторів в нанофлюїдних або молекулярних пристроях.

Швейцарські фізики з дослідницького центру IBM в Цюріху під керівництвом Арміна Кнолля (Armin W. Knoll) запропонували використовувати броунівський рух частинок в наноканалах, щоб направити їх в потрібну сторону або розділити між собою різні розмірні фракцій цих частинок. Для цього вчені зробили спеціальні наноканали товщиною близько 150 нанометрів, на нижню поверхню яких нанесли асиметричні нанозубчики, схожі на ті, які знаходяться на поверхні храповика. У ці канали фізики помістили розчин електроліту із золотими наночастинками розміром 60 нанометрів. У такій системі і стінки наноканалу, і поверхня наночастинок виявляються зарядженими однакових чином, так що частинки відштовхуються від обох стінок, і їх вертикальний рух стає сильно обмеженим.

При цьому електростатичне поле, яке пілоподібна текстура нижньої стінки створює в каналі, не тільки відштовхує частинки від себе. Через те, що це поле розподілене в рідині неоднорідно (і періодично), броунівський рух заряджених наночастинок у цьому полі теж стає асиметричним, в результаті чого вони поступово мігрують в одному з напрямків.

Оскільки рух частинок у каналах має цілком певний напрямок, то такий пристрій можна розглядати як броунівський наномотор, який перетворює теплову енергію на кінетичну. При цьому на відміну від попередніх пристроїв, що працюють за схожим принципом, даний наноканал, по-перше, не вимагає додаткового зовнішнього електричного поля, що періодично змінюється, а по-друге, дозволяє керувати не тільки мікрометровими частинками, але і наночастинками, розміром аж до 5 нанометрів.

Вчені відзначають, що частинки різного розміру можуть по-різному поводитися в періодичному електростатичному полі, створеному нижньою стінкою каналу, тому крім використання цього каналу в якості броунівського наномотора, його можна застосовувати і для поділу між собою наночастинок різного різного розміру. Експериментально цю ідею вчені перевірили, відокремивши один від одного частинки розміром 100 і 60 нанометрів. Однак, за словами авторів роботи, точність управління рухом частинок навіть дозволяє розділяти між собою частинки, розмір яких відрізняється всього на 1 нанометр.

За словами вчених, запропонований ними метод можна буде використовувати для біохімічних завдань, в яких часто потрібно направляти або розділяти частинки між собою. Такими частинками можуть бути і біологічні макромолекули, наприклад ДНК або білки.

Дослідженню закономірностей різних типів броунівського руху наночастинок присвячено досить велику кількість досліджень, і іноді для цього навіть розробляються спеціальні методи, які мають необхідну просторову і тимчасову роздільну здатність. Так, за допомогою спеціального методу чотиримірної просвічувальної мікроскопії фізикам вдалося вивчити динаміку фотовізолених золотих наночастинок, які на малих часах рухаються балістично, а на великих - дифузійно і дуже швидко.