Peneliti IBM Mengemudikan Mesin Brownian Bergoyang untuk Pemisahan Nanopartikel yang Tepat
Hari ini, IBM Research mengumumkan demonstrasi nyata pertama dari mesin Brownian bergoyang untuk nanopartikel, yang dipublikasikan di jurnal terpercaya Science. Perangkat ini memandu partikel skala nano sepanjang lintasan yang dirancang, memungkinkan peneliti untuk memisahkan populasi nanopartikel dengan presisi yang tidak pernah sebelumnya. Temuan ini menjanjikan aplikasi lab-on-chip di seluruh ilmu material, ilmu lingkungan, dan biokimia.
Tidak Ada Lagi Dongeng
Apakah kamu ingat dongeng Grimm tentang Cinderella, yang harus menyaring kacang dan kacang lentin? Bayangkan sebagai gantinya suspensi partikel 60-nanometer dan 100-nanometer—ribuan kali lebih kecil dari diameter rambut manusia. Metode pemisahan sebelumnya memerlukan filter yang besar atau mesin yang kompleks, tidak cocok untuk perangkat lab-on-chip yang portabel.
Ilmuwan IBM Dr. Armin Knoll dengan setup eksperimen di laboratoriumnya di Swiss.
Mesin Brownian Bergoyang
Di alam, motor molekuler—pengemudi kecil yang mengangkut beban sepanjang mikroskop—mencapainya dengan bahan bakar minimal. Mereka mengeksploitasi gerakan Brownian, gejolak acak partikel yang disebabkan oleh tabrakan dengan molekul air, fenomena yang pertama kali dijelaskan secara kuantitatif oleh Albert Einstein pada tahun 1905.
Motor Brownian memanfaatkan kebetulan ini, mengonversinya menjadi kerja terarah dengan menggunakan roda gigi asimetris. Gaya eksternal yang goyang-goyang mendorong partikel terhadap gigi roda gigi, yang memungkinkan laluan yang lebih mudah satu arah sambil memblokir gerakan mundur—secara efektif mengarahkan partikel.
Membangun Perangkat Baru untuk Pemisahan Partikel
Kami memulai dengan ujung silikon yang diaktuasi termal dengan puncak tajam, mengukir lanskap 3 dimensi pada lapisan polimer melalui litografi probe skaning termal—pendekatan yang pernah menghasilkan sampul majalah terkecil di dunia pada tahun 2014.
Peneliti IBM Dr. Christian Schwemmer menyiapkan titik air yang berisi bola emas 60 nm dan 100 nm.
Untuk membedakan antara dua ukuran partikel, kami mengintegrasikan dua roda gigi yang berhadapan dengan geometri gigi yang berbeda. Titik bola emas 60-nm dan 100-nm ditempatkan di atas struktur, lalu ditutup dengan kaca tipis, sehingga menyisipkan celah minimal. Interaksi elektrostatis menjaga partikel pada jarak maksimum dari kaca dan gigi. Karena partikel yang lebih besar jarang terlibat dengan gigi yang lebih besar, mereka bergerak ke arah yang berlawanan—bola 60-nm bergoyang ke kanan, bola 100-nm bergerak ke kira—dalam hitungan detik.
Model pendamping kami, yang dipublikasikan bersama makalah, memprediksi bahwa perangkat dapat memisahkan partikel dari 5 nm hingga 100 nm, dengan perbedaan radial yang sempit 1 nm. Data eksperimental sejalan dengan teori, mengonfirmasi tidak ada efek tersembunyi.
Aplikasi di Berbagai Bidang
Desain yang kompak hanya mengkonsumsi 5 V dan beroperasi tanpa tekanan atau aliran, menjadikannya ideal untuk platform lab-on-chip yang menganalisis volume kecil DNA, protein, titik kuantum, dan nanopartikel lainnya. Ini juga dapat mendukung array sensor yang mendeteksi kontaminan ultra-kecil dalam air minum, yang bermanfaat untuk ilmu material, biokimia, dan penelitian lingkungan.
Keahlian IBM dalam pembuatan nanostruktur dan mikrofluidik mendasari kemajuan ini; performa perangkat bergantung pada presisi satu langkah litografi.
Nanofluidic Rocking Brownian Motors, Michael J. Skaug, Christian Schwemmer, Stefan Fringes, Colin D. Rawlings, Armin W. Knoll, DOI: 10.1126/science.aal3271
