Пилообразная нанотекстура помогла сделать броуновский наномотор и разделить наночастицы

Швейцарские физики из исследовательского центра IBM разработали нанофлюидное устройство, в котором периодическая пилообразная текстура на одной из стенок преобразует хаотическое тепловое движение наночастиц в направленное. Добиться этого удается за счет электростатического взаимодействия между частицей и неоднородным полем, созданным стенками канала. С помощью предложенного метода можно заставить направленно двигаться частицы до 5 нанометров, а также отделять друг от друга наночастицы разного размера, пишут ученые в Science. Управлять движением отдельных наночастиц в жидкостях — непростая задача, в первую очередь из-за того, что на них очень сильно влияет броуновская диффузия — хаотическое движение частиц в результате теплового движения молекул жидкости. Дополнительно эта задача усложняется в ограниченных нанометровых объемах (например, в нанофлюидных устройствах), в которых жидкость находится в покоящемся состоянии, и использование гидродинамических методов сортировки или перемещения частиц сильно ограничено. Поэтому броуновское движение частиц, от которого при комнатной температуре все равно избавиться невозможно, часто предлагают использовать в полезных целях: например, благодаря этому можно использовать тепловую энергию для обеспечения работы механических наномоторов в нанофлюидных или молекулярных устройствах. Швейцарские физики из исследовательского центра IBM в Цюрихе под руководством Армина Кнолля (Armin W. Knoll) предложили использовать броуновское движение частиц в наноканалах, чтобы направить их в нужную сторону или разделить между собой разные размерные фракций этих частиц. Для этого ученые сделали специальные наноканалы толщиной около 150 нанометров, на нижнюю поверхность которых нанесли асимметричные нанозубчики, похожие на те, которые находятся на поверхности храповика. В эти каналы физики поместили раствор электролита с золотыми наночастицами размером 60 нанометров. В такой системе и стенки наноканала, и поверхность наночастиц оказываются заряженными одинаковых образом, так что частицы отталкиваются от обеих стенок, и их вертикальное движение становится сильно ограниченным. При этом электростатическое поле, которое пилообразная текстура нижней стенки создает в канале, не только отталкивает частицы от себя. Из-за того, что это поле распределено в жидкости неоднородно (и периодически), броуновское движение заряженных наночастиц в этом поле тоже становится асимметричным, в результате чего они постепенно мигрируют в одном из направлений. Поскольку движение частиц в каналах имеет вполне определенное направление, то такое устройство можно рассматривать в качестве броуновского наномотора, который преобразует тепловую энергию в кинетическую. При этом в отличие от предыдущих устройств, работающих по похожему принципу, данный наноканал, во-первых, не требует дополнительного внешнего периодически меняющегося электрического поля, а во-вторых, позволяет управлять не только микрометровыми частицами, но и наночастицами, размером вплоть до 5 нанометров. Ученые отмечают, что частицы разного размера могут по-разному вести себя в периодического электростатическом поле, созданном нижней стенкой канала, поэтому помимо использования этого канала в качестве броуновского наномотора, его можно применять и для разделения между собой наночастиц разного разного размера. Экспериментально эту идею ученые проверили, отделив друг от друга частицы размером 100 и 60 нанометров. Однако, по словам авторов работы, точность управления движением частиц даже позволяет разделять между собой частицы, размер которых отличается всего на 1 нанометр. По словам ученых, предложенный ими метод можно будет использовать для биохимических задач, в которых часто нужно направлять разделять частицы между собой. Такими частицами могут быть и биологические макромолекулы, например ДНК или белки. Исследованию закономерностей различных типов броуновского движения наночастиц посвящено довольно большое количество исследований, и иногда для этого даже разрабатываются специальные методы, которые обладают необходимым пространственным и временным разрешением. Так, с помощью специального метода четырехмерной просвечивающей микроскопии физикам удалось изучить динамику фотовозбужденных золотых наночастиц, которые на малых временах двигаются баллистически, а на больших — диффузионно и очень быстро. Александр Дубов