Investigadores de IBM demuestran motores brownianos oscilantes revolucionarios para separación precisa de nanopartículas

Hoy, IBM Research anunció la primera demostración real de un motor browniano oscilante para nanopartículas, publicado en la revista revisada por pares Science. El dispositivo guía partículas nanoescalares a lo largo de pistas diseñadas, permitiendo a los investigadores separar poblaciones de nanopartículas con precisión sin precedentes. Estos hallazgos prometen aplicaciones lab-on-chip en ciencia de materiales, ciencia ambiental y bioquímica.

Ya no más cuentos de hadas

¿Recuerdas el cuento de los hermanos Grimm de Cenicienta, que tenía que separar guisantes y lentejas? Imagina en su lugar una suspensión de partículas de 60 y 100 nanómetros —miles de veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano. Los métodos de separación previos requerían filtros voluminosos o maquinaria compleja, inadecuados para dispositivos portátiles lab-on-chip.

Motor browniano oscilante

En la naturaleza, los motores moleculares —pequeños caminantes que transportan carga a lo largo de microtúbulos— logran esto con mínimo combustible. Aprovechan el movimiento browniano, el temblor aleatorio de partículas causado por colisiones con moléculas de agua, fenómeno descrito cuantitativamente por primera vez por Albert Einstein en 1905.

Un motor browniano aprovecha esta aleatoriedad, convirtiéndola en trabajo dirigido mediante una rueda de trinquete asimétrica. Una fuerza externa oscilante empuja las partículas contra los dientes del trinquete, permitiendo el paso más fácil en una dirección mientras bloquea el movimiento inverso —dirigiendo efectivamente las partículas.

Construyendo un nuevo dispositivo para separación de partículas

Se comenzó con una punta de silicio actuada térmicamente con un vértice afilado, tallando un paisaje tridimensional en una capa de polímero mediante litografía de sonda de barrido térmica —un enfoque que una vez produjo la portada de revista más pequeña del mundo en 2014.

Para discriminar entre dos tamaños de partícula, se integraron dos trinquetes opuestos con geometrías de dientes distintas. Una gota de esferas de oro de 60 nm y 100 nm se colocó sobre la estructura, luego se cubrió con una lámina de vidrio delgada, dejando un espacio mínimo. Interacciones electrostáticas mantuvieron las partículas a máxima distancia del vidrio y los dientes. Como las partículas grandes interactúan con menos frecuencia con los dientes mayores, se movieron en direcciones opuestas —esferas de 60 nm a la derecha, de 100 nm a la izquierda— en segundos.

Nuestro modelo adjunto, publicado junto al artículo, predice que el dispositivo puede separar partículas de 5 nm a 100 nm, con una diferencia radial tan pequeña como 1 nm. Los datos experimentales se alinean perfectamente con la teoría, confirmando la ausencia de efectos ocultos.

Aplicaciones en diversos campos

El diseño compacto consume solo 5 V y opera sin presión ni flujo, lo que lo hace ideal para plataformas lab-on-chip que analizan volúmenes diminutos de ADN, proteínas, puntos cuánticos y otras nanopartículas. También podría soportar arrays de sensores que detecten contaminantes ultrapequeños en agua potable, beneficiando la ciencia de materiales, bioquímica e investigación ambiental.

La experiencia de IBM en nanofabricación y microfluídica sustenta este avance; el rendimiento del dispositivo depende de la precisión de un solo paso litográfico.

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