IBM 과학자들이 나노입자용 로킹 브라운 모터를 최초로 시연함

오늘 우리 IBM 연구 팀은 동료 심사 저널 Science에 나노 입자용 로킹 브라운 모터의 실제 세계 시연을 발표했습니다. . 모터는 미리 정의된 경마장을 따라 나노크기 입자를 추진하여 연구자가 전례 없는 정밀도로 나노입자 집단을 분리할 수 있도록 합니다. 보고된 연구 결과는 재료 과학, 환경 과학 또는 생화학 분야에서 랩온어칩(lab-on-a-chip) 응용 프로그램에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다.

동화는 이제 그만

잿더미에서 완두콩과 렌즈콩을 골라야 했던 그림 버전의 신데렐라를 기억하십니까? 이제 완두콩과 렌즈콩 대신에 60나노미터(nm)와 100nm 크기의 나노입자 현탁액이 있다고 상상해 보세요. 이는 사람 머리카락 지름보다 1,000배 더 작습니다. 이전 방법을 사용하면 복잡한 필터나 기계로 이들을 분리할 수 있지만 휴대용 랩온어칩에 통합하기에는 너무 크고 복잡합니다.

IBM 과학자 스위스에 있는 그의 연구실에서 실험을 준비하고 있는 Dr. Armin Knoll.

흔들리는 브라운 모터

이를 해결하기 위해 우리는 자연에서 영감을 얻습니다. 우리 세포에서 분자 모터는 최소한의 연료 소비로 미세소관 안내 트랙을 따라 화물을 운반하는 작은 보행기입니다. 그들은 우리 몸의 근육 수축의 필수적인 부분입니다. 이 모터는 보행기 크기의 입자가 일반적으로 브라운 운동이라고 하는 이 규모에서 경험하는 무작위 운동을 극복하고 심지어 이용하기 때문에 매력적입니다. 이 혼란스럽고 떨리는 입자의 움직임은 입자와 무작위로 충돌하는 물 분자에 의해 발생합니다. 재미있는 사실은 1905년에 브라운 운동에 대한 정확한 설명을 처음으로 제공한 사람이 알버트 아인슈타인이라는 것입니다.

브라운 모터는 무작위성을 직선 입자 운동으로 강제함으로써 이 무작위 운동을 기계적 작업으로 변환합니다. 이를 위해 과학자들은 비대칭 톱니가 한 방향으로는 움직일 수 있지만 다른 방향으로는 움직일 수 없는 래칫 스크루드라이버와 유사한 원리를 사용합니다.

또한, 진동하는 외력이 사용되어 입자를 래칫 톱니에 밀어 넣습니다. 입자의 경우 치아를 한 방향으로 통과시키는 것이 훨씬 쉬워 입자가 직접 이동합니다. 브라운 모터는 방향성 운동을 생성하지 않으며 입자가 뒤로 움직이는 것을 방지할 뿐입니다.

입자 분리를 위한 새로운 장치 제작

시작하기 위해 우리는 뾰족한 정점이 있는 작고 가열 가능한 실리콘 팁을 사용하여 폴리머 층의 재료를 "치즐링"하여 나노 입자에 대한 3D 풍경을 만들었습니다. 이 기술을 열 주사 프로브 리소그래피라고 합니다. 2014년 세계에서 가장 작은 잡지 표지를 만드는 데 사용되었습니다.

IBM 연구원 Christian Schwemmer 박사는 60nm 및 100nm의 작은 금 구체를 포함하는 물방울을 준비합니다.

우리는 두 가지 다른 유형의 입자를 분리하고 싶었기 때문에 서로 다른 크기의 톱니를 가진 반대 전송 방향을 가진 두 개의 래칫을 결합했습니다. 그런 다음 60nm 및 100nm의 작은 금구를 포함하는 물방울을 래칫에 놓고 얇은 유리로 덮고 치아 끝과 유리 사이에 작은 간격을 남겼습니다. 대전된 표면과 입자 사이의 정전기적 상호작용으로 인해 입자는 유리와 치아까지 가능한 한 가장 멀리 떨어져 있는 액체에 떠 있습니다. 입자 크기가 클수록 톱니가 큰 래칫을 탐색할 가능성이 적기 때문에 구체가 반대 방향으로 이동하여 분리되었습니다. 불과 몇 초 만에 60nm 입자가 시스템의 오른쪽으로, 100nm 입자가 시스템 왼쪽으로 흔들렸습니다.

우리가 논문에서 발표한 모델은 우리 장치가 크기가 5 nm에서 100 nm 범위이고 방사상 차이가 1 nm에 불과한 입자를 분리할 수 있다고 제안합니다. 우리는 시스템이 이론에서 예측한 대로 정확하게 작동하고 모든 관련 물리적 매개변수를 측정할 수 있기 때문에 시스템에 중요한 숨겨진 효과가 없다고 확신합니다.

다양한 분야에 적용 가능

우리 장치는 설치 공간이 매우 작고 5볼트만 사용하며 기존 도구와 달리 압력이나 흐름이 필요하지 않습니다. 따라서 랩온칩 애플리케이션에 이상적입니다. 작은 액체 부피의 DNA, 단백질, 양자점 및 기타 나노 입자와 같은 입자의 크기 분석에 사용됩니다. 재료 과학, 생화학 또는 환경 연구와 같은 광범위한 연구 분야에서 사용될 수 있습니다. 식수에서 나노 규모의 오염 물질과 같은 극미량을 감지하기 위해 관심 있는 나노 물체를 센서에 전달하는 구조를 생각할 수 있습니다.

이러한 장치의 개발은 나노구조 제조에 대한 IBM의 능력과 미세유체학에 대한 지식을 기반으로 했습니다. 사실, 장치의 작동과 성능이 장치를 제조하는 데 사용되는 단일 리소그래피 단계의 정밀도에 의해 결정된다는 점을 고려하는 것은 매혹적입니다.

나노유체 로킹 브라운 모터, Michael J. Skaug, Christian Schwemmer, Stefan Fringes, Colin D. Rawlings, Armin W. Knoll, DOI:10.1126/science.aal3271