Los científicos de IBM son los primeros en hacer una demostración de los motores brownianos oscilantes para nanopartículas

Hoy, nuestro equipo de investigación de IBM publicó la primera demostración del mundo real de un motor browniano oscilante para nanopartículas en la revista de revisión por pares Science . Los motores impulsan partículas a nanoescala a lo largo de pistas de carreras predefinidas para permitir a los investigadores separar poblaciones de nanopartículas con una precisión sin precedentes. Los hallazgos reportados muestran un gran potencial para aplicaciones de laboratorio en un chip en ciencia de materiales, ciencias ambientales o bioquímica.

No más cuentos de hadas

¿Recuerdas la versión Grimm de Cenicienta cuando tuvo que recoger guisantes y lentejas de las cenizas? Ahora imagina que en lugar de guisantes y lentejas tienes una suspensión de nanopartículas, que tienen un tamaño de solo 60 nanómetros (nm) y 100 nm, que es mil veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano. Usando métodos anteriores, uno podría separarlos con un filtro o máquinas complicadas, sin embargo, estos son demasiado voluminosos y complejos para ser integrados en un laboratorio en un chip portátil.

científico de IBM Dr. Armin Knoll con la configuración del experimento en su laboratorio en Suiza.

Motor browniano oscilante

Para abordar esto, nos inspiramos en la naturaleza. En nuestras células, los motores moleculares son pequeños andadores que transportan carga a lo largo de pistas de guía de microtúbulos con un consumo mínimo de combustible. Son una parte integral de la contracción muscular de nuestro cuerpo. Estos motores son fascinantes porque superan e incluso explotan el movimiento aleatorio que las partículas del tamaño de los caminantes suelen experimentar a esta escala, llamado movimiento browniano. Este movimiento caótico y tembloroso de las partículas es causado por las moléculas de agua, que chocan aleatoriamente con las partículas. Dato curioso, fue Albert Einstein quien dio por primera vez una descripción correcta del movimiento browniano en 1905.

Un motor browniano convierte este movimiento aleatorio en trabajo mecánico forzando la aleatoriedad en un movimiento de partículas recto. Para ello, los científicos utilizan el principio similar al de un destornillador de trinquete, en el que los dientes asimétricos permiten el movimiento en una dirección, pero no en la otra.

Además, se utiliza una fuerza externa oscilante, que empuja las partículas contra los dientes del trinquete. Para las partículas es mucho más fácil pasar los dientes en una dirección, lo que resulta en el movimiento dirigido de las partículas. Un motor browniano no produce movimiento dirigido, solo evita que las partículas se muevan hacia atrás.

Construcción de un nuevo dispositivo para la separación de partículas

Para empezar, usamos una pequeña punta de silicona que se puede calentar con un ápice afilado para crear un paisaje 3D de nanopartículas al "cincelar" el material de una capa de polímero. Esta técnica se denomina litografía con sonda de barrido térmico. Se utilizó para crear la portada de revista más pequeña del mundo en 2014.

Investigador de IBM El Dr. Christian Schwemmer prepara una gota de agua que contiene las pequeñas esferas de oro de 60 nm y 100 nm.

Como queríamos separar dos tipos diferentes de partículas, combinamos dos trinquetes con direcciones de transporte opuestas que tenían dientes de diferentes tamaños. Luego colocamos una gota de agua que contiene las pequeñas esferas de oro de 60 nm y 100 nm en los trinquetes y la cubrimos con un vidrio delgado, dejando un pequeño espacio entre las puntas de los dientes y el vidrio. Debido a la interacción electrostática entre las superficies cargadas y las partículas, las partículas flotan en el líquido a la mayor distancia posible del vidrio y los dientes. Dado que es menos probable que una partícula de mayor tamaño explore el trinquete que tiene los dientes más grandes, las esferas se movieron en direcciones opuestas y se separaron. Las partículas de 60 nm se movieron hacia la derecha y las partículas de 100 nm hacia el lado izquierdo del sistema en solo unos segundos.

Un modelo, que también publicamos en el artículo, sugiere que nuestro dispositivo puede separar partículas de entre 5 nm y 100 nm de tamaño y que tengan una diferencia radial de solo 1 nm. Estamos muy seguros de que no hay efectos ocultos significativos en el sistema, ya que se comporta exactamente como predice la teoría y podemos medir todos los parámetros físicos relevantes.

Posibles aplicaciones en varios campos

Nuestro dispositivo ocupa muy poco espacio, usa solo 5 voltios y, a diferencia de las herramientas existentes, no necesita presión ni flujo. Esto lo hace ideal para aplicaciones de laboratorio en chip, p. Ej. para un análisis de tamaño de partículas como ADN, proteínas, puntos cuánticos y otras nanopartículas en pequeños volúmenes de líquido. Podría utilizarse en una amplia gama de campos de investigación como la ciencia de los materiales, la bioquímica o la investigación medioambiental. Uno podría pensar en estructuras que entregan los nano-objetos de interés a los sensores para detectar cantidades ultra-pequeñas, como contaminantes a nanoescala en nuestra agua potable.

El desarrollo de un dispositivo de este tipo se basó en las capacidades de IBM en la fabricación de nanoestructuras y su conocimiento en microfluídica. De hecho, es fascinante considerar que el funcionamiento y el rendimiento del dispositivo están determinados por la precisión de un solo paso litográfico utilizado para fabricar el dispositivo.