納流控搖擺布朗馬達

2018年3月，世界知名的科研團隊IBM Research–Zurich于 Science 雜志發(fā)表了力作：Nanofluidic rocking Brownian motors。IBM Research–Zurich原名為IBM Zurich Research Laboratory，曾因重大發(fā)明成果在1986年和1987年獲得過諾貝爾物理學獎，為大家所熟知。今天，我們帶著原文一同品味納流控搖擺布朗馬達的科學探索。

淺讀納流控搖擺布朗馬達

大多數(shù)物質(zhì)間的相互作用機制會在物質(zhì)尺度小至納米量級時產(chǎn)生不利的縮放效應，因此，在流體中控制、輸運納米尺度的物體是一個巨大的挑戰(zhàn)。通過精確控制納流控器件中狹縫結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，同時利用類帶電粒子與納流控器件中墻面結(jié)構(gòu)間的靜電作用，M. J. Skaug等人設計了針對納米顆粒的能級圖譜。他們通過將非對稱勢壘與振蕩電磁場結(jié)合，獲得了一種搖擺布朗馬達，從而可以對納流體中的納米顆粒的定向輸運進行調(diào)控。Skaug分析了此種分子馬達的物理機制，與理論模型進行對比后，基于分子馬達成功制備了一種分類器件。這種器件可以在幾秒鐘的時間內(nèi)使兩種不同粒徑的納米顆粒（直徑分別為60 nm和100 nm）在器件中沿著相反方向運動，從而實現(xiàn)對兩種顆粒的分離。后續(xù)的模擬分析結(jié)果證明：這種新型器件可以有效區(qū)分粒徑差異在1 nm量級的不同納米顆粒。

除了在材料、環(huán)境科學領域（尺寸分析、過濾、單分散制備）具有應用潛力外，可實現(xiàn)對納米顆粒進行尺寸選擇性輸運、收集的芯片器件，在床邊檢測及生化領域（如分子分離、預濃縮）的應用亦被寄予厚望。

閃爍棘輪型布朗馬達中的顆粒擴散效應依賴于顆粒的尺寸，研究人員對這類馬達在顆粒分類方面的應用潛力進行了探究。與連續(xù)層式流動器件的情況相似，利用外加力來替代擴散作用會使得尺寸的區(qū)分能力變差。搖擺型布朗馬達利用零平均外加力和靜態(tài)勢壘產(chǎn)生直接的定向顆粒運動，其輸運特性與其所傳輸顆粒的擴散特性之間表現(xiàn)出了一種極其顯著的非線性依賴關系，這對納米顆粒的區(qū)分、分離來說具有重要的意義和應用潛力。對于納米尺度的顆粒來說，如何創(chuàng)造出能量足夠強的靜態(tài)勢壘，是一個重大挑戰(zhàn)。 

靜電俘獲為這個挑戰(zhàn)提供了很好的思路，即：將帶電顆粒限制在均勻帶電的表面之間。在其中一個表面上制備一個凹陷的幾何結(jié)構(gòu)，可以降低此處局部的顆粒-表面相互作用能量，從而定義一個側(cè)向的俘獲勢壘。Skaug等人將幾何結(jié)構(gòu)誘導靜電俘獲的思路進行了拓展，以利用熱掃描探針光刻方法獲得的三維結(jié)構(gòu)取代此前簡單的二維凹陷結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)造出針對納米顆粒的復雜二維能級圖景。這種方法獲得的三維結(jié)構(gòu)在縱向的圖形控制精度可以達到納米量級。

圖1 利用熱掃描探針光刻技術(shù)制備納流控布朗馬達、定義棘齒形貌：（A）納流控器件中的狹縫截面示意圖及俯瞰圖；（B）形貌圖像；（C）圖（B）中的圓環(huán)狀棘齒結(jié)構(gòu)的放大形貌圖；（D）圖（B）中白線標識區(qū)域的剖面輪廓圖，即棘齒臺階輪廓圖；（E）被俘獲納米顆粒的光學圖像。

圖2 實驗測量的平均勢壘的決定因素：（A）四種圖形化棘齒的形貌圖以及三種控制場的示意圖；（B）棘齒單元的輪廓示意圖；（C）棘齒限制的納米顆粒的能量曲線（平均實驗數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)對比）；（D）九種不同間隙距離的棘齒的能量勢壘曲線對比；（E）由因子α確定的棘齒能量勢壘通用曲線。

圖3 粒徑60 nm與粒徑100 nm的金顆粒的分類：（A）分類器件的形貌圖像；（B）圖（A）白色虛線框內(nèi)區(qū)域的放大圖；（C）上圖：金顆粒分類原理簡圖；下圖：相應的靜態(tài)能量曲線（實現(xiàn)為測量值、虛線為模擬值）；（D）金顆粒在分類器件中不同時刻的光學圖像；（E）顆粒的空間分布圖像；（F）模擬得到的顆粒漂移與粒徑的函數(shù)關系。

通過一系列的測試以及相應的理論計算、模擬，Skaug等人展示了在水平表面與帶有三維圖形修飾的表面之間的電泳可以有效限制納米顆粒，從而創(chuàng)造一個可以由幾何形貌結(jié)構(gòu)定義的、針對納米顆粒的能量圖景。通過精確調(diào)節(jié)表面之間的間隙，一階俘獲勢壘可以簡單地按比例縮放，從而提供了一種可以用于優(yōu)化系統(tǒng)的有效手段。在實驗當中，所有與模擬納流控系統(tǒng)有關的必要物理量都可以原位獲取。實驗與理論的一致性，證明了對文中系統(tǒng)工作機制的解釋以及對系統(tǒng)特性的預測的可靠性。搖擺布朗馬達輸運特性的非線性特性以及靜電作用的非線性特性，是文中器件實現(xiàn)對納米顆粒高效分離的物理基礎。

更進一步，基于文中的模擬分析以及Ruggeri等人關于顆粒俘獲研究的結(jié)果，Skaug等人預測可以通過比例縮放的手段，將文章中的方法應用于對生物小分子的分離、分類。與基于流動的分離機制相反，采用搖擺布朗馬達可以實現(xiàn)納米顆粒的選擇性輸運、精確分離、集聚，且不需要電泳凈流或熱力學梯度這類條件。通過將更小的棘齒形貌參數(shù)與更低的外加電場相結(jié)合，這類器件將非常適合應用于針對芯片實驗室中少量液體的高精度成分分析。

高精度3D高速納米結(jié)構(gòu)高速直寫技術(shù)助力布朗馬達盡情“搖擺”

上文中，納流控搖擺布朗馬達中的核心部件是其中的棘齒單元，每個棘齒單元的高度、距離其相對水平面的間距等縱向幾何參數(shù)，對棘齒的能量壁壘特性具有顯著的調(diào)控作用，從而影響棘齒結(jié)構(gòu)對器件中納米顆粒定向輸運特性的調(diào)節(jié)。所以，器件中微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的構(gòu)筑和微結(jié)構(gòu)縱向形貌控制成為最為重要的部分及最大的技術(shù)難題。 為了能夠克服這一技術(shù)上的難題，文章作者采用了熱掃描探針技術(shù)，這是一種高精度3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫技術(shù)，其水平方向的直寫精度可達10 nm、縱向精度則可以達到1 nm，直寫速度則高達10 mm/s，堪稱3D加工的利器！高精度3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫設備-NanoFrazor很好地滿足了Skaug等人的實驗需求，并出色完成了研究中所需的多種高難度微納圖形直寫任務。‍