Cientistas da IBM são os primeiros a demonstrar motores brownianos para nanopartículas

Hoje, nossa equipe de pesquisa IBM publicou a primeira demonstração do mundo real de um motor browniano oscilante para nanopartículas na revista científica Science . Os motores impulsionam partículas em nanoescala ao longo de pistas predefinidas para permitir que os pesquisadores separem as populações de nanopartículas com uma precisão sem precedentes. As descobertas relatadas mostram um grande potencial para aplicações lab-on-a-chip em ciência de materiais, ciências ambientais ou bioquímica.

Chega de contos de fadas

Você se lembra da versão Grimm da Cinderela quando ela tinha que colher ervilhas e lentilhas das cinzas? Agora imagine que, em vez de ervilhas e lentilhas, você tenha uma suspensão de nanopartículas, que têm apenas 60 nanômetros (nm) e 100 nm de tamanho - 1.000 vezes menor que o diâmetro de um fio de cabelo humano. Usando métodos anteriores, pode-se separá-los com filtros ou máquinas complicadas; no entanto, eles são muito volumosos e complexos para serem integrados em um lab-on-a-chip portátil.

Cientista da IBM Dr. Armin Knoll com a configuração do experimento em seu laboratório na Suíça.

Motor Brownian Rocking

Para resolver isso, nos inspiramos na natureza. Em nossas células, os motores moleculares são minúsculos caminhantes que transportam cargas ao longo de trilhas de orientação de microtúbulos com consumo mínimo de combustível. Eles são parte integrante da contração muscular em nosso corpo. Esses motores são fascinantes porque superam e até exploram o movimento aleatório que partículas do tamanho dos caminhantes normalmente experimentam nessa escala, chamado de movimento browniano. Esse movimento caótico e trêmulo das partículas é causado pelas moléculas de água, que colidem aleatoriamente com as partículas. Curiosidade:foi Albert Einstein quem primeiro deu uma descrição correta do movimento browniano em 1905.

Um motor browniano converte esse movimento aleatório em trabalho mecânico, forçando a aleatoriedade em um movimento de partícula direto. Para esse propósito, os cientistas usam o princípio semelhante a uma chave de fenda de catraca, na qual os dentes assimétricos permitem o movimento em uma direção, mas não na outra.

Além disso, é utilizada uma força externa oscilante, que empurra as partículas contra os dentes da catraca. Para as partículas é muito mais fácil passar os dentes em uma direção, resultando no movimento direcionado das partículas. Um motor browniano não produz movimento direcionado, ele apenas impede que as partículas se movam para trás.

Construindo um novo dispositivo para separação de partículas

Para começar, usamos uma ponta de silício minúscula e aquecível com um ápice afiado para criar uma paisagem 3D para nanopartículas por “cinzelamento” do material de uma camada de polímero. Essa técnica é chamada de litografia de sonda de varredura térmica. Foi usado para criar a menor capa de revista do mundo em 2014.

Pesquisador da IBM O Dr. Christian Schwemmer prepara uma gota de água contendo pequenas esferas de ouro de 60 nm e 100 nm.

Como queríamos separar dois tipos diferentes de partículas, combinamos duas catracas com direções de transporte opostas que tinham dentes de tamanhos diferentes. Colocamos então uma gota d'água contendo as pequenas esferas de ouro de 60 nm e 100 nm nas catracas e a cobrimos com um vidro fino, deixando um pequeno espaço entre as pontas dos dentes e o vidro. Devido à interação eletrostática entre as superfícies carregadas e as partículas, as partículas flutuam no líquido com a maior distância possível ao vidro e aos dentes. Como uma partícula de tamanho maior tem menos probabilidade de explorar a catraca com dentes maiores, as esferas moveram-se em direções opostas e se separaram. As partículas de 60 nm balançaram para a direita e as partículas de 100 nm para o lado esquerdo do sistema em apenas alguns segundos.

Um modelo, que também publicamos no artigo, sugere que nosso dispositivo pode separar partículas variando de 5 nm a 100 nm em tamanho e tendo uma diferença radial de apenas 1 nm. Estamos muito confiantes de que não há efeitos ocultos significativos no sistema, uma vez que ele se comporta exatamente como previsto pela teoria e podemos medir todos os parâmetros físicos relevantes.

Aplicações em vários campos possíveis

Nosso dispositivo ocupa um espaço muito pequeno, usa apenas 5 volts e, ao contrário das ferramentas existentes, não precisa de nenhuma pressão ou fluxo. Isso o torna ideal para aplicações lab-on-chip, por exemplo, para uma análise de tamanho de partículas como DNA, proteínas, pontos quânticos e outras nanopartículas em pequenos volumes de líquido. Ele pode ser usado em uma ampla gama de campos de pesquisa, como ciência dos materiais, bioquímica ou pesquisa ambiental. Pode-se pensar em estruturas que entregam os nanoobjetos de interesse a sensores para detectar quantidades ultrapequenas, como poluentes em nanoescala em nossa água potável.

O desenvolvimento de tal dispositivo foi baseado nos recursos da IBM em fabricação de nanoestruturas e seu conhecimento em microfluídica. Na verdade, é fascinante considerar que a operação e o desempenho do dispositivo são determinados pela precisão de uma única etapa litográfica usada para fabricar o dispositivo.