Des chercheurs d'IBM démontrent des moteurs brownien à bascule révolutionnaires pour la séparation précise de nanoparticules

Aujourd'hui, IBM Research a annoncé la première démonstration réelle d'un moteur brownien à bascule pour nanoparticules, publiée dans la revue à comité de lecture Science. Le dispositif guide des particules à l'échelle nanométrique le long de pistes conçues, permettant aux chercheurs de séparer des populations de nanoparticules avec une précision sans précédent. Ces résultats sont prometteurs pour des applications lab-on-a-chip dans les sciences des matériaux, l'environnement et la biochimie.

Plus de contes de fées

Rappelez-vous le conte de Cendrillon, qui devait trier pois et lentilles ? Imaginez plutôt une suspension de particules de 60 et 100 nanomètres — des milliers de fois plus petites que le diamètre d'un cheveu humain. Les méthodes de séparation antérieures nécessitaient des filtres encombrants ou des machines complexes, inadaptées aux dispositifs lab-on-a-chip portables.

Le scientifique d'IBM Dr. Armin Knoll avec la configuration de l'expérience dans son laboratoire en Suisse.

Moteur brownien à bascule

Dans la nature, les moteurs moléculaires — de minuscules marcheurs qui transportent du fret le long de microtubules — y parviennent avec un minimum de carburant. Ils exploitent le mouvement brownien, l'agitation aléatoire des particules causée par les collisions avec les molécules d'eau, un phénomène décrit quantitativement pour la première fois par Albert Einstein en 1905.

Un moteur brownien exploite cette aléatoire, la convertissant en travail dirigé en employant un cliquet asymétrique. Une force externe oscillante pousse les particules contre les dents du cliquet, permettant un passage plus facile dans un sens tout en bloquant le mouvement inverse — dirigeant ainsi efficacement les particules.

Construction d'un nouveau dispositif pour la séparation de particules

Nous sommes partis d'une pointe de silicium actionnée thermiquement et dotée d'un apex acéré, sculptant un paysage tridimensionnel dans une couche de polymère par lithographie à sonde thermique — une approche qui a produit la plus petite couverture de magazine au monde en 2014.

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

Pour discriminer entre deux tailles de particules, nous avons intégré deux cliquets opposés avec des géométries de dents distinctes. Une goutte de sphères d'or de 60 nm et 100 nm a été placée sur la structure, puis recouverte d'une fine plaque de verre, laissant un espace minimal. Les interactions électrostatiques maintenaient les particules à distance maximale du verre et des dents. Comme les particules plus grosses s'engagent moins fréquemment dans les dents plus grandes, elles se déplacent dans des directions opposées — les sphères de 60 nm vont à droite, celles de 100 nm vont à gauche — en quelques secondes.

Notre modèle accompagnant, publié avec l'article, prédit que le dispositif peut séparer des particules de 5 nm à 100 nm, avec une différence radiale aussi faible que 1 nm. Les données expérimentales s'alignent parfaitement avec la théorie, confirmant l'absence d'effets cachés.

Applications dans divers domaines

Le design compact ne consomme que 5 V et fonctionne sans pression ni flux, le rendant idéal pour les plateformes lab-on-a-chip qui analysent de minuscules volumes d'ADN, de protéines, de points quantiques et d'autres nanoparticules. Il pourrait également prendre en charge des réseaux de capteurs détectant des contaminants ultra-fins dans l'eau potable, bénéficiant aux sciences des matériaux, à la biochimie et à la recherche environnementale.

L'expertise d'IBM dans la fabrication de nanostructures et la microfluidique sous-tend cette percée ; la performance du dispositif repose sur la précision d'une seule étape lithographique.

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Nanofluidic Rocking Brownian Motors, Michael J. Skaug, Christian Schwemmer, Stefan Fringes, Colin D. Rawlings, Armin W. Knoll, DOI: 10.1126/science.aal3271