2018年3月，知名的科研團(tuán)隊(duì)IBM Research–Zurich于 Science 雜志發(fā)表了新力作：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(xué)獎(jiǎng)，為大家所熟知。今天，我們帶著原文一同品味納流控?fù)u擺布朗馬達(dá)的科學(xué)探索。
淺讀納流控?fù)u擺布朗馬達(dá)
大多數(shù)物質(zhì)間的相互作用機(jī)制會(huì)在物質(zhì)尺度小至納米量時(shí)產(chǎn)生不利的縮放效應(yīng)，因此，在流體中控制、輸運(yùn)納米尺度的物體是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。通過控制納流控器件中狹縫結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，同時(shí)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(shè)計(jì)了針對(duì)納米顆粒的能圖譜。他們通過將非對(duì)稱勢壘與振蕩電磁場結(jié)合，獲得了一種搖擺布朗馬達(dá)，從而可以對(duì)納流體中的納米顆粒的定向輸運(yùn)進(jìn)行調(diào)控。Skaug分析了此種分子馬達(dá)的物理機(jī)制，與理論模型進(jìn)行對(duì)比后，基于分子馬達(dá)成功制備了一種分類器件。這種器件可以在幾秒鐘的時(shí)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(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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量的不同納米顆粒。
除了在材料、環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域（尺寸分析、過濾、單分散制備）具有應(yīng)用潛力外，能夠?qū){米尺度顆粒進(jìn)行尺寸選擇性輸運(yùn)、收集的芯片實(shí)驗(yàn)室器件，在床邊檢測及生化領(lǐng)域（如分子分離、預(yù)濃縮）的應(yīng)用亦被寄予希望。以探測流體中的低濃度物質(zhì)為例，通過在探測器中引入定向輸運(yùn)機(jī)制，可以將濃度低的被探測物質(zhì)輸運(yùn)至探測器中的感應(yīng)區(qū)域，并使被探測物質(zhì)形成集聚，從而克服傳統(tǒng)探測方法中存在的各類技術(shù)限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)低濃度物質(zhì)的有效探測。受到生物學(xué)中分子馬達(dá)的啟發(fā)，Magnasco和Prost等人曾經(jīng)提出利用人造布朗馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)類似的顆粒輸運(yùn)功能，這種布朗馬達(dá)的物理機(jī)制是基于非對(duì)稱勢壘以及非平衡力的調(diào)控。前人的實(shí)驗(yàn)中，主要都是集中在“閃爍棘輪”型的布朗馬達(dá)，它是利用周期性非對(duì)稱勢壘以及各向同性擴(kuò)散機(jī)制來實(shí)現(xiàn)微米尺度顆粒的定向輸運(yùn)的。在這種布朗馬達(dá)中，通常是利用外加光場或介電泳產(chǎn)生的力學(xué)作用來獲得所需的勢壘，所以勢壘的作用效果會(huì)隨顆粒尺寸縮小而減弱，因此這類馬達(dá)很難滿足納米尺度實(shí)驗(yàn)的需求。
閃爍棘輪型布朗馬達(dá)中的顆粒擴(kuò)散效應(yīng)依賴于顆粒的尺寸，研究人員對(duì)這類馬達(dá)在顆粒分類方面的應(yīng)用潛力進(jìn)行了探究。然而，與連續(xù)層式流動(dòng)器件的情況相似，利用外加力來替代擴(kuò)散作用會(huì)使得尺寸的區(qū)分能力變差。搖擺型布朗馬達(dá)則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(yùn)動(dòng)。這類布朗馬達(dá)的輸運(yùn)特性與其所傳輸顆粒的擴(kuò)散特性，二者之間表現(xiàn)出了一種其顯著的非線性依賴關(guān)系，這對(duì)納米顆粒的區(qū)分、分離來說具有重要的意義和應(yīng)用潛力。然而，對(duì)于納米尺度的顆粒來說，如何創(chuàng)造一個(gè)能量足夠強(qiáng)的靜態(tài)勢壘是一個(gè)挑戰(zhàn)。
靜電俘獲可以有效解決這一挑戰(zhàn)，具體思路是將類帶電顆粒限制在均勻帶電的表面之間。在其中一個(gè)表面上制備一個(gè)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(gè)側(cè)向的俘獲勢壘。約束顆粒的能量大約在幾個(gè)kBT的量（其中kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度），可以穩(wěn)定地俘獲多種帶電顆粒，比如金納米球與納米棒（粒徑在十幾至一百多納米左右）、囊泡（五十納米左右）、DNA寡核苷酸（含有十幾至六十幾個(gè)堿基）、蛋白質(zhì)分子（分子量在十幾kDa）。
Skaug等人擴(kuò)展了利用幾何結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)靜電俘獲的思路，以三維結(jié)構(gòu)取代此前簡單的二維凹陷結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)造了針對(duì)納米顆粒的復(fù)雜二維能圖景。三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑是通過利用熱掃描探針光刻方法獲得的，這種方法在縱向的圖形控制精度可以達(dá)到納米量。
圖1 利用熱掃描探針光刻技術(shù)制備納流控布朗馬達(dá)、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(biāo)識(shí)區(qū)域的剖面輪廓圖，即棘齒臺(tái)階輪廓圖；（E）被俘獲納米顆粒的光學(xué)圖像。
圖2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模擬數(shù)據(jù)對(duì)比）；（D）九種不同間隙距離的棘齒的能量勢壘曲線對(duì)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(yīng)的靜態(tài)能量曲線（實(shí)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(shí)刻的光學(xué)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(guān)系。
通過一系列的測試以及相應(yīng)的理論計(jì)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(gè)可以由幾何形貌結(jié)構(gòu)定義的、針對(duì)納米顆粒的能量圖景。通過調(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(shí)驗(yàn)當(dāng)中，所有與模擬納流控系統(tǒng)有關(guān)的必要物理量都可以原位獲取。實(shí)驗(yàn)與理論的一致性，證明了對(duì)文中系統(tǒng)工作機(jī)制的解釋以及對(duì)系統(tǒng)特性的預(yù)測的可靠性。搖擺布朗馬達(dá)輸運(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒高效分離的物理基礎(chǔ)。
更進(jìn)一步，基于文中的模擬分析以及Ruggeri等人關(guān)于顆粒俘獲研究的結(jié)果，Skaug等人預(yù)測可以通過比例縮放的手段，將文章中的方法應(yīng)用于對(duì)生物小分子的分離、分類。與基于流動(dòng)的分離機(jī)制相反，采用搖擺布朗馬達(dá)可以實(shí)現(xiàn)納米顆粒的選擇性輸運(yùn)、分離、集聚，且不需要電泳凈流或熱力學(xué)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(yīng)用于針對(duì)芯片實(shí)驗(yàn)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(dá)盡情“搖擺”
在上文當(dāng)中，納流控?fù)u擺布朗馬達(dá)中的核心部件是其中的棘齒單元，每個(gè)棘齒單元的高度、距離其相對(duì)水平面的間距等縱向幾何參數(shù)，對(duì)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(duì)器件中納米顆粒定向輸運(yùn)特性的調(diào)節(jié)。所以在以上的研究中，器件中微結(jié)構(gòu)側(cè)壁的構(gòu)筑和微結(jié)構(gòu)縱向形貌控制成為了研究中為重要的部分以及大的技術(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以達(dá)到10 nm、縱向精度則可以達(dá)到1 nm，直寫速度則高達(dá)10 mm/s，堪稱3D加工的利器，很好地滿足了Skaug等人的實(shí)驗(yàn)需求，出色地完成了研究中所需的多種高難度微納圖形直寫任務(wù)。
