Project

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Nanofluidic Brownian Motors

English title Nanofluidic Brownian Motors
Applicant Knoll Armin
Number 179148
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution IBM Research GmBH
Institution of higher education Companies/ Private Industry - FP
Main discipline Other disciplines of Physics
Start/End 01.08.2018 - 31.03.2023
Approved amount 518'018.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Other disciplines of Physics
Material Sciences
Physical Chemistry
Condensed Matter Physics

Keywords (12)

Brownian Motors; Separation; Interferometric detection; Nanotechnology; Transport; Nanofluidics; Nanopatterning; Size analysis; DNA; Proteins; Size separation; Nanoparticles

Lay Summary (German)

Lead
Brownsche Motoren sind nanoskalige Maschinen, die den Transport von Objekten in eine vordefinierte Richtung ermöglichen. Ein Beispiel aus der Biologie sind molekulare Motoren, die für die Muskelkontraktion oder den interzellulären Transport verantwortlich sind. Künstliche Brownsche Motoren wurden in den 1990er Jahren konzeptionell entwickelt und es wurde theoretisch gezeigt, dass sie für eine sehr präzise Separation von Nanoobjekten interessant sein könnten. Bis heute wurden zwar einige Motoren demonstriert, jedoch war keine Implementierung in der Lage, Nanopartikel präzise zu separieren.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Vor kurzem habe wir eine neue nanofluidische Umsetzung von künstlichen Brownschen Motoren für den Transport von Nanopartikeln demonstriert. Für die Funktion nutzen wir die Wechselwirkung zwischen den geladenen Teilchen und Oberflächen im Wasser aus. Indem wir eine Oberfläche strukturieren, können wir räumlich die Wechselwirkung der Teilchen mit der Oberfläche modulieren. Weiterhin braucht man zur Funktion eine alternierende Kraft auf die Teilchen, die wir mit Hilfe von elektrischen Feldern realisierten. Wir konnten zeigen, dass unsere Motoren 60-100 Nanometer grosse Gold Nanopartikel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 Mikrometern pro Sekunde transportieren können. Ausserdem konnten wir mit einer komplexeren Struktur 60 und 100 Nanometer Partikel innerhalb von Sekunden räumlich separieren.

Mit einem elektrostatischen Modell konnten wir zeigen, dass man mit der gleichen Struktur zwei Nanopartikel Populationen mit einem Unterschied von 1 Nanometer im Radius separieren können sollte. Das erste Ziel dieses Projektes ist es, dies experimentell mit Hilfe von DNA Molekülen zu bestätigen. DNA kann mit einer Genauigkeit von einem Basenpaar synthetisiert werden und mit einem Farbstoff versehen werden, über dessen Farbe die zwei Populationen getrennt werden können. Weiterhin soll im Projekt ein Chip entwickelt werden, der in der Lage ist, Partikel aus hochverdünnten Flüssigkeiten zu separieren, anzureichern und zu detektieren. Die Motoren werden in diesem Fall gebraucht, um die Partikel aktiv zum Sensor zu transportieren. Durch diesen aktiven Transport sollte es möglich sein, die Partikel zu konzentrieren und mit einer um Grössenordnungen höheren Sensitivität zu detektieren.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Wir untersuchen neue Konzepte, um die Grössenverteilung und Konzentration von Nanopartikeln in Flüssigkeiten zu bestimmen. Ganz generell werden Nanopartikel immer häufiger von der Industrie benutzt, was Fragen zur Umweltverträglichkeit und Auswirkung auf die Gesundheit aufwirft. Gleichzeitig sind die Partikel aber schwer zu quantifizieren. Mit unserer Arbeit werden wir dazu beitragen, dass man Nanopartikel in der Zukunft sensitiver und quantitativ detektieren kann.

Direct link to Lay Summary Last update: 07.08.2018

Lay Summary (English)

Lead
Brownian motors are nanoscale devices that enable directed transport of particles in a fluid. For example, the molecular motors responsible for muscle contraction or the delivery of cargo between cells are biological Brownian motors. Artificial motors, suggested in the 1990s, were promised to be useful for particle separation. Proof of concept devices have been developed since the 1990s, however, so far, an implementation to precisely separate nanoparticles is missing.
Lay summary

Content and goal of the research project

Recently, we discovered a novel approach of how to build Brownian motors in a nano-fluidic environment. We exploit the interaction between charged and patterned surfaces in water to establish the first basic ingredient of so called rocking Brownian motors, the interaction landscape. The second ingredient is a force to drive the motor, which we realize using electrodes immersed in the liquid. The motor was shown to work with gold nanoparticles in a size range of 60-100 nm with transport speeds of up to 50 micrometer per second. We could also demonstrate a concept based on the motors that allowed us to separate 60 nm spheres from 100 nm spheres within just 2 seconds.

Modeling this device we found that two particles with a difference in size of less than 1 nm can be separated. The first goal of this project is to experimentally verify this unprecedented separation capability by using DNA molecules which can be synthesizes with 1 base pair precision and color labeled for differentiation. The second aspect of the project is to demonstrate a detection device that can detect ultralow concentrations of an analyte in a small volume of liquid. Here, the motors will be used to actively transport the target molecules or particles to a detection area. In this area the concentration of the target species is enhanced by several orders of magnitudes, enabling their detection.

Scientific and societal context of the research project

In our work we study novel concepts to separate and analyze nanoparticles in liquids. Nanoparticles in general become more and more abundant due to their heavy use in industry. On the other hand, detection and analysis of these particles remains difficult. We will contribute novel technology which may be used in the future to quantitatively assess nanoparticle content in solutions.

Direct link to Lay Summary Last update: 07.08.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Publications

Publication
Nanometer-Scale-Resolution Multichannel Separation of Spherical Particles in a Rocking Ratchet with Increasing Barrier Heights
Nicollier Philippe, Schwemmer Christian, Ruggeri Francesca, Widmer Daniel, Ma Xiaoyu, Knoll Armin W. (2021), Nanometer-Scale-Resolution Multichannel Separation of Spherical Particles in a Rocking Ratchet with Increasing Barrier Heights, in Physical Review Applied, 15(3), 034006-034006.
Deterministic Deposition of Nanoparticles with Sub-10 nm Resolution
Fringes Stefan, Schwemmer C., Rawlings Colin D., Knoll Armin W. (2019), Deterministic Deposition of Nanoparticles with Sub-10 nm Resolution, in Nano Letters, 19(12), 8855-8861.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Tim Julian/EAWAG Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results

Abstract

Inspired by the biological example of molecular motors, in the 1990’s so called artificial Brownian motors were proposed for directed transport. For one implementation, so called rocked Brownian Motors (RBMs), a theoretical study identified highly promising features for size dependent transport and therefore a high potential for high resolution particle separation. Despite this potential, RBMs were hardly investigated experimentally.Recently, we developed a nanofluidic RBM scheme for the transport of charged nanoparticles. The nanofluidic environment provides a static energy landscape that is determined by the particle interaction with the confining three-dimensional geometry. The precise shaping of the geometry is achieved by thermal scanning probe lithography (t-SPL) which recently has demonstrated absolute depth accuracy in the nanometer range. The resulting nanoparticle energy is adapted to a range of 5 to 10 kBT by mechanical tuning of the gap distance. The functionality and the robustness of the motors has been demonstrated at IBM Research-Zurich using 60 nm gold spheres and drift speeds of up to 50 µm/s were observed. Using numerical solutions of the Smoluchowski equation for our experimentally observed particle potentials, we propose two novel sorting mechanisms for sorting according to size/charge and experienced force. Due to the highly non-linear nature of the RBM transport scheme and of the particle interaction energy, we expect very high resolution for separation. We propose to use gold nanoparticles and DNA molecules in order to characterize device operation and assess separation resolution, respectively. Moreover, due to the fluid-less transport, both solutions can be implemented in a continuous multi-channel sorting device, which accumulates the sorted particles in dedicated compartments for the detection of small quantities. Extrapolating from the speed of a current device, a 2x2 cm2 area device could sort 1 ml of liquid in about 1 hour, demonstrating the potential to upscale the technology towards larger volumes. Such a device would still operate at low voltages, an ideal prerequisite for mobile lab on chip applications. In combination with the expected high resolution for separation and the high sensitivity originating from particle accumulation, we see a very high potential for applications.
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