浅读IBM Research–Zurich新力作——纳流控摇摆布朗马达

发布日期：2019-12-09

    2018年3月，世界知名的科研团队IBM Research–Zurich于 Science 杂志发表了新力作：Nanofluidic rocking Brownian motors。IBM Research–Zurich原名为IBM Zurich Research Laboratory，曾因重大发明成果在1986年和1987年获得过诺贝尔物理学奖，为大家所熟知。今天，我们带着原文一同品味纳流控摇摆布朗马达的科学探索。

浅读纳流控摇摆布朗马达

    大多数物质间的相互作用机制会在物质尺度小纳米量级时产生不利的缩放效应，因此，在流体中控制、输运纳米尺度的物体是一个巨大的挑战。通过精确控制纳流控器件中狭缝结构的几何参数，同时利用类带电粒子与纳流控器件中墙面结构间的静电作用，M. J. Skaug等人设计了针对纳米颗粒的能级图谱。他们通过将非对称势垒与振荡电磁场结合，获得了一种摇摆布朗马达，从而可以对纳流体中的纳米颗粒的定向输运进行调控。Skaug分析了此种分子马达的物理机制，与理论模型进行对比后，基于分子马达成功制备了一种分类器件。这种器件可以在几秒钟的时间内使两种不同粒径的纳米颗粒（直径分别为60 nm和100 nm）在器件中沿着相反方向运动，从而实现对两种颗粒的分离。后续的模拟分析结果证明：这种新型器件可以有效区分粒径差异在1 nm量级的不同纳米颗粒。

    除了在材料、环境科学领域（尺寸分析、过滤、单分散制备）具有应用潜力外，能够对纳米尺度颗粒进行尺寸选择性输运、收集的芯片实验室器件，在床边检测及生化领域（如分子分离、预浓缩）的应用亦被寄予希望。以探测流体中的低浓度物质为例，通过在探测器中引入定向输运机制，可以将浓度的被探测物质输运探测器中的感应区域，并使被探测物质形成集聚，从而克服传统探测方法中存在的各类技术限制，实现对低浓度物质的有效探测。受到生物学中分子马达的启发，Magnasco和Prost等人曾经提出利用人造布朗马达来实现类似的颗粒输运功能，这种布朗马达的物理机制是基于非对称势垒以及非平衡力的调控。前人的实验中，主要都是集中在“闪烁棘轮”型的布朗马达，它是利用周期性非对称势垒以及各向同性扩散机制来实现微米尺度颗粒的定向输运的。在这种布朗马达中，通常是利用外加光场或介电泳产生的力学作用来获得所需的势垒，所以势垒的作用效果会随颗粒尺寸缩小而减弱，因此这类马达很难满足纳米尺度实验的需求。

    闪烁棘轮型布朗马达中的颗粒扩散效应依赖于颗粒的尺寸，研究人员对这类马达在颗粒分类方面的应用潜力进行了探究。然而，与连续层式流动器件的情况相似，利用外加力来替代扩散作用会使得尺寸的区分能力变差。摇摆型布朗马达则利用零平均外加力和静态势垒产生直接的定向颗粒运动。这类布朗马达的输运特性与其所传输颗粒的扩散特性，二者之间表现出了一种极其显著的非线性依赖关系，这对纳米颗粒的区分、分离来说具有重要的意义和应用潜力。然而，对于纳米尺度的颗粒来说，如何创造一个能量足够强的静态势垒是一个挑战。

    静电俘获可以有效解决这一挑战，具体思路是将类带电颗粒限制在均匀带电的表面之间。在其中一个表面上制备一个凹陷的几何结构，可以降低此处局部的颗粒-表面相互作用能量，从而定义一个侧向的俘获势垒。约束颗粒的能量大约在几个kBT的量级（其中kB是玻尔兹曼常数，T是温度），可以稳定地俘获多种带电颗粒，比如金纳米球与纳米棒（粒径在十几一百多纳米左右）、囊泡（五十纳米左右）、DNA寡核苷酸（含有十几六十几个碱基）、蛋白质分子（分子量在十几kDa）。

    Skaug等人扩展了利用几何结构诱导静电俘获的思路，以三维结构取代此前简单的二维凹陷结构，从而创造了针对纳米颗粒的复杂二维能级图景。三维结构的构筑是通过利用热扫描探针光刻方法获得的，这种方法在纵向的图形控制精度可以达到纳米量级。

图1 利用热扫描探针光刻技术制备纳流控布朗马达、定义棘齿形貌：（A）纳流控器件中的狭缝截面示意图及俯瞰图；（B）形貌图像；（C）图（B）中的圆环状棘齿结构的放大形貌图；（D）图（B）中白线标识区域的剖面轮廓图，即棘齿台阶轮廓图；（E）被俘获纳米颗粒的光学图像。

图2 实验测量的平均势垒的决定因素：（A）四种图形化棘齿的形貌图以及三种控制场的示意图；（B）棘齿单元的轮廓示意图；（C）棘齿限制的纳米颗粒的能量曲线（平均实验数据与有限元模拟数据对比）；（D）九种不同间隙距离的棘齿的能量势垒曲线对比；（E）由因子α确定的棘齿能量势垒通用曲线。

图3 粒径60 nm与粒径100 nm的金颗粒的分类：（A）分类器件的形貌图像；（B）图（A）白色虚线框内区域的放大图；（C）上图：金颗粒分类原理简图；下图：相应的静态能量曲线（实现为测量值、虚线为模拟值）；（D）金颗粒在分类器件中不同时刻的光学图像；（E）颗粒的空间分布图像；（F）模拟得到的颗粒漂移与粒径的函数关系。

    通过一系列的测试以及相应的理论计算、模拟，Skaug等人展示了在水平表面与带有三维图形修饰的表面之间的电泳可以有效限制纳米颗粒，从而创造一个可以由几何形貌结构定义的、针对纳米颗粒的能量图景。通过精确调节表面之间的间隙，一阶俘获势垒可以简单地按比例缩放，从而提供了一种可以用于优化系统的有效手段。在实验当中，所有与模拟纳流控系统有关的必要物理量都可以原位获取。实验与理论的一致性，证明了对文中系统工作机制的解释以及对系统特性的预测的可靠性。摇摆布朗马达输运特性的非线性特性以及静电作用的非线性特性，是文中器件实现对纳米颗粒高效分离的物理基础。

    更进一步，基于文中的模拟分析以及Ruggeri等人关于颗粒俘获研究的结果，Skaug等人预测可以通过比例缩放的手段，将文章中的方法应用于对生物小分子的分离、分类。与基于流动的分离机制相反，采用摇摆布朗马达可以实现纳米颗粒的选择性输运、精确分离、集聚，且不需要电泳净流或热力学梯度这类条件。通过将更小的棘齿形貌参数与更低的外加电场相结合，这类器件将非常适合应用于针对芯片实验室中少量液体的高精度成分分析。