Ilmuwan IBM Pertama yang Demo Rocking Brownian Motors untuk Nanopartikel

Hari ini, tim Riset IBM kami menerbitkan demonstrasi dunia nyata pertama dari motor goyang Brownian untuk partikel nano dalam jurnal peer-review Science . Motor mendorong partikel nano di sepanjang trek balap yang telah ditentukan untuk memungkinkan para peneliti memisahkan populasi partikel nano dengan presisi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Temuan yang dilaporkan menunjukkan potensi besar untuk aplikasi lab-on-a-chip dalam ilmu material, ilmu lingkungan atau biokimia.

Tidak Ada Lagi Dongeng

Apakah Anda ingat Cinderella versi Grimm ketika dia harus memetik kacang polong dan lentil dari abunya? Sekarang bayangkan bahwa alih-alih kacang polong dan lentil, Anda memiliki suspensi partikel nano, yang hanya berukuran 60 nanometer (nm) dan 100 nm — itu 1.000 kali lebih kecil dari diameter rambut manusia. Menggunakan metode sebelumnya, seseorang dapat memisahkannya dengan filter atau mesin yang rumit, namun ini terlalu besar dan rumit untuk diintegrasikan ke dalam lab-on-a-chip genggam.

Ilmuwan IBM Dr. Armin Knoll dengan pengaturan eksperimen di labnya di Swiss.

Motor Brownian Goyang

Untuk mengatasinya, kami mengambil inspirasi dari alam. Dalam sel kami, motor molekuler adalah alat bantu jalan kecil yang mengangkut kargo di sepanjang jalur pemandu mikrotubulus dengan konsumsi bahan bakar minimal. Mereka adalah bagian integral dari kontraksi otot dalam tubuh kita. Motor ini sangat menarik karena mereka mengatasi dan bahkan memanfaatkan gerakan acak yang biasanya dialami oleh partikel seukuran pejalan kaki pada skala ini, yang disebut gerakan Brown. Gerakan partikel yang kacau dan bergetar ini disebabkan oleh molekul air, yang bertabrakan secara acak dengan partikel. Fakta menyenangkan, Albert Einstein yang pertama kali memberikan deskripsi yang benar tentang gerak Brown pada tahun 1905.

Motor Brown mengubah gerakan acak ini menjadi kerja mekanis dengan memaksa keacakan menjadi gerakan partikel lurus. Untuk tujuan ini, para ilmuwan menggunakan prinsip yang mirip dengan obeng ratchet, di mana gigi asimetris memungkinkan gerakan ke satu arah, tetapi tidak ke arah lain.

Selain itu, gaya eksternal berosilasi digunakan, yang mendorong partikel ke gigi ratchet. Untuk partikel, lebih mudah untuk melewati gigi dalam satu arah, menghasilkan pergerakan partikel yang terarah. Motor Brown tidak menghasilkan gerakan terarah, hanya mencegah partikel bergerak mundur.

Membuat perangkat baru untuk pemisahan partikel

Untuk memulainya, kami menggunakan ujung silikon kecil yang dapat dipanaskan dengan puncak yang tajam untuk menciptakan lanskap 3D untuk partikel nano dengan "memotong" material dari lapisan polimer. Teknik ini disebut litografi probe pemindaian termal. Itu digunakan untuk membuat sampul majalah terkecil di dunia pada tahun 2014.

Peneliti IBM Christian Schwemmer menyiapkan tetesan air yang berisi bola emas kecil berukuran 60 nm dan 100 nm.

Karena kami ingin memisahkan dua jenis partikel yang berbeda, kami menggabungkan dua ratchet dengan arah transpor berlawanan yang memiliki ukuran gigi yang berbeda. Kami kemudian meletakkan tetesan air yang berisi bola emas kecil 60 nm dan 100 nm pada ratchet dan menutupinya dengan kaca tipis, meninggalkan celah kecil antara ujung gigi dan kaca. Karena interaksi elektrostatik antara permukaan bermuatan dan partikel, partikel mengapung dalam cairan dengan jarak setinggi mungkin ke kaca dan gigi. Karena partikel dengan ukuran lebih besar cenderung tidak menjelajahi ratchet yang memiliki gigi lebih besar, bola bergerak ke arah yang berlawanan dan terpisah. Partikel 60 nm bergoyang ke kanan dan partikel 100 nm ke sisi kiri sistem hanya dalam beberapa detik.

Sebuah model, yang juga kami terbitkan di makalah, menunjukkan bahwa perangkat kami dapat memisahkan partikel mulai dari ukuran 5 nm hingga 100 nm dan memiliki perbedaan radial hanya 1 nm. Kami sangat yakin bahwa tidak ada efek tersembunyi yang signifikan dalam sistem karena berperilaku persis seperti yang diprediksi oleh teori dan kami dapat mengukur semua parameter fisik yang relevan.

Aplikasi di berbagai bidang mungkin

Perangkat kami memiliki tapak yang sangat kecil, hanya menggunakan 5 volt dan, berbeda dengan alat yang ada, tidak memerlukan tekanan atau aliran apa pun. Ini membuatnya ideal untuk aplikasi lab-on-chip mis. untuk analisis ukuran partikel seperti DNA, protein, titik kuantum, dan partikel nano lainnya dalam volume cairan kecil. Ini dapat digunakan dalam berbagai bidang penelitian seperti ilmu material, biokimia atau penelitian lingkungan. Orang bisa memikirkan struktur yang mengirimkan objek nano yang menarik ke sensor untuk mendeteksi jumlah yang sangat kecil, seperti polutan skala nano dalam air minum kita.

Pengembangan perangkat semacam itu didasarkan pada kemampuan IBM dalam fabrikasi struktur nano dan pengetahuannya dalam mikrofluida. Faktanya, sangat menarik untuk mempertimbangkan bahwa operasi dan kinerja perangkat ditentukan oleh ketepatan langkah litografi tunggal yang digunakan untuk membuat perangkat.