Недавно исследователи из IBM Research провели первую демонстрацию работы реального колебательного броуновского двигателя, способного перемещать наноразмерные частицы вдоль предопределенных путей. Это, в свою очередь, позволит реализовать высокоточные процедуры сортировки этих частиц, использовать новый принцип движения в устройствах типа лаборатория-на-чипе и в других устройствах, предназначенных для исследований в области физики, химии, биологии и т.п.
Вы помните сказку о Золушке, когда ей было нужно рассортировать горох и чечевицу, рассыпанные на полу? Теперь представьте, что то, что надо рассортировать, имеет размеры 60 и 100 нанометров, в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса. Такая процедура уже реализована в виде сложнейших машин, которые слишком большие для того, чтобы их можно было включить в состав лаборатории-на-чипе.
Решение этой и других подобных проблем нам подсказывает сама природа. Для движения крошечных объектов внутри клеток нашего тела используются молекулярные двигатели, которые заставляют эти объекты двигаться и обеспечивают минимальный расход «топлива». Некоторые из типов молекулярных двигателей используют в своих интересах Броуновское движение. Это хаотическое колебательное движение частиц вызвано молекулами воды, которые сталкиваются с этими частицами в случайных местах и в случайные моменты времени. Отметим, что самое правильное описание Броуновского движения в 1905 году дал Альберт Эйнштейн.
Броуновский двигатель преобразовывает случайное Броуновское движение в механическую работу, т.е. хаотическое движение в прямолинейное движение частицы. Для этого используется механическое устройство, напоминающее отвертку с трещоткой, которая позволяет крутить отвертку в одном или в обратном направлении в зависимости от положения переключателя и направления зубцов трещотки.
Колебательные силы, вызываемые броуновским движением, прижимают частицы к зубцам трещотки. Это, с учетом направления зубцов трещотки, приводит к перемещению частиц в одном направлении. Броуновский двигатель сам не производит никакого движения, его устройство лишь препятствует перемещению частиц в обратном направлении.
Трещотка броуновского двигателя была создана при помощи нагретого острого кремниевого наконечника, который использовался для порезки полимерного материала. Такая технология называется тепловой литографией при помощи наконечника сканирующего микроскопа. Отметим, что именно эта технология была использована в 2014 году для создания самой маленькой в мире обложки журнала.
Для создания устройства сортировки наночастиц ученые IBM изготовили две противонаправленные трещотки броуновских двигателей, расположенных рядом. При этом, две трещотки имели различную длину зубцов. На эти трещотки была помещена капелька воды, в которой находилось большое количество золотых наночастиц, размером 60 и 100 нанометров. Все это было накрыто слоем стекла, к которому был приложен электрический потенциал, а под воздействием созданного электрического поля наночастицы распределились равномерно по всему объему воды. Частицы большего размера начали двигаться вдоль трещотки с большими зубцами, а меньшие — вдоль трещотки с меньшими зубцами, и в результате всего за несколько секунд все 60-нм наночастицы были отправлены в правую сторону, а все 100-нм частицы сгруппировались на левой стороне устройства.
Расчеты, проведенные учеными, показали, что такой метод будет работать с наночастицами, размерами от 5 до 100 нанометров, а правильная сортировка наночастиц возможна при разнице их размеров всего в 1 нм. Ученые уверены в том, что в данной системе не работают и не проявляются никакие посторонние эффекты, ведь она ведет себя в точном соответствии с теорией.
Созданное устройство, использующее броуновский двигатель, имеет очень малый размер и работает при электрическом потенциале в 5 Вольт, в отличие от других подобных устройств, оно не нуждается в перепадах давления, создаваемых микроскопическими насосами. Это делает данное устройство идеальным для использования в лабораториях-на-чипе, производящих анализ размеров частиц, таких, как молекулы ДНК, белки, квантовые точки и наночастицы различных форм и размеров. Помимо тех областей применения, о которых упоминалось выше, такие принципы могут стать основой датчиков, способных обнаружить даже самые слабые следы различных частиц в газе и воде, к примеру, болезнетворных микроорганизмов в питьевой воде.
