Les scientifiques d'IBM sont les premiers à faire une démonstration de moteurs browniens à bascule pour les nanoparticules

Aujourd'hui, notre équipe de recherche IBM a publié la première démonstration dans le monde réel d'un moteur brownien à bascule pour les nanoparticules dans la revue à comité de lecture Science . Les moteurs propulsent des particules nanométriques le long de circuits prédéfinis pour permettre aux chercheurs de séparer les populations de nanoparticules avec une précision sans précédent. Les résultats rapportés montrent un grand potentiel pour les applications de laboratoire sur puce en science des matériaux, sciences de l'environnement ou biochimie.

Plus de contes de fées

Vous souvenez-vous de la version Grimm de Cendrillon lorsqu'elle a dû cueillir des pois et des lentilles sur les cendres ? Imaginez maintenant qu'au lieu de pois et de lentilles, vous ayez une suspension de nanoparticules, qui ne mesurent que 60 nanomètres (nm) et 100 nm - c'est 1 000 fois plus petit que le diamètre d'un cheveu humain. En utilisant les méthodes précédentes, on pouvait les séparer avec un filtre ou des machines compliquées, mais celles-ci sont trop volumineuses et complexes pour être intégrées dans un laboratoire sur puce portable.

Scientifique IBM Le Dr Armin Knoll avec l'installation de l'expérience dans son laboratoire en Suisse.

Moteur brownien à bascule

Pour y remédier, nous nous inspirons de la nature. Dans nos cellules, les moteurs moléculaires sont de minuscules marcheurs qui transportent des marchandises le long de pistes de guidage de microtubules avec une consommation de carburant minimale. Ils font partie intégrante de la contraction musculaire de notre corps. Ces moteurs sont fascinants car ils surmontent et même exploitent le mouvement aléatoire que les particules de la taille des marcheurs subissent généralement à cette échelle, appelé mouvement brownien. Ce mouvement chaotique et tremblant des particules est causé par les molécules d'eau, qui entrent en collision aléatoirement avec les particules. Fait amusant, c'est Albert Einstein qui a donné le premier une description correcte du mouvement brownien en 1905.

Un moteur brownien convertit ce mouvement aléatoire en travail mécanique en forçant le caractère aléatoire en un mouvement de particule droit. À cette fin, les scientifiques utilisent le principe similaire à un tournevis à cliquet, dans lequel les dents asymétriques permettent un mouvement dans un sens, mais pas dans l'autre.

De plus, une force externe oscillante est utilisée, qui pousse les particules contre les dents du rochet. Pour les particules, il est beaucoup plus facile de faire passer les dents dans une direction, ce qui entraîne le mouvement dirigé des particules. Un moteur brownien ne produit pas de mouvement dirigé, il empêche seulement les particules de reculer.

Création d'un nouveau dispositif de séparation des particules

Pour commencer, nous avons utilisé une petite pointe en silicone chauffante avec un sommet pointu pour créer un paysage 3D pour les nanoparticules en « ciselant » le matériau d'une couche de polymère. Cette technique est appelée lithographie par sonde à balayage thermique. Il a été utilisé pour créer la plus petite couverture de magazine au monde en 2014.

chercheur IBM Le Dr Christian Schwemmer prépare une goutte d'eau contenant les petites sphères d'or de 60 nm et 100 nm.

Puisque nous voulions séparer deux types de particules différents, nous avons combiné deux cliquets avec des directions de transport opposées qui avaient des dents de tailles différentes. Nous avons ensuite mis une goutte d'eau contenant les petites sphères d'or de 60 nm et 100 nm sur les cliquets et l'avons recouverte d'un verre fin, en laissant un petit espace entre la pointe des dents et le verre. En raison de l'interaction électrostatique entre les surfaces chargées et les particules, les particules flottent dans le liquide à la plus grande distance possible du verre et des dents. Puisqu'une particule de plus grande taille est moins susceptible d'explorer le rochet ayant les plus grandes dents, les sphères se sont déplacées dans des directions opposées et ont été séparées. Les particules de 60 nm ont basculé vers la droite et les particules de 100 nm du côté gauche du système en quelques secondes seulement.

Un modèle, que nous avons également publié dans l'article, suggère que notre appareil peut séparer des particules allant de 5 nm à 100 nm et ayant une différence radiale de seulement 1 nm. Nous sommes convaincus qu'il n'y a pas d'effets cachés significatifs dans le système car il se comporte exactement comme prévu par la théorie et nous pouvons mesurer tous les paramètres physiques pertinents.

Applications dans divers domaines possibles

Notre appareil a un très faible encombrement, utilise seulement 5 volts et, contrairement aux outils existants, n'a besoin d'aucune pression ni débit. Cela le rend idéal pour les applications de laboratoire sur puce, par ex. pour une analyse de la taille des particules telles que l'ADN, les protéines, les points quantiques et autres nanoparticules dans de minuscules volumes de liquide. Il pourrait être utilisé dans un large éventail de domaines de recherche comme la science des matériaux, la biochimie ou la recherche environnementale. On pourrait penser à des structures qui livrent les nano-objets d'intérêt à des capteurs afin de détecter de très petites quantités, comme les polluants nanométriques dans notre eau potable.

Le développement d'un tel dispositif était basé sur les capacités d'IBM en matière de fabrication de nanostructures et ses connaissances en microfluidique. En fait, il est fascinant de considérer que le fonctionnement et les performances de l'appareil sont déterminés par la précision d'une seule étape lithographique utilisée pour fabriquer l'appareil.

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Moteurs browniens à bascule nanofluidiques, Michael J. Skaug, Christian Schwemmer, Stefan Fringes, Colin D. Rawlings, Armin W. Knoll, DOI :10.1126/science.aal3271