Nanoválvulas recentemente desenvolvidas permitem que o fluxo de nanopartículas individuais em líquidos seja controlado em canais minúsculos. Isso é interessante para aplicações de laboratório em um chip, como em ciência de materiais e biomedicina.

Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram válvulas minúsculas que permitem que nanopartículas individuais em líquidos sejam separadas e classificadas. As válvulas podem ser usadas para uma ampla gama de partículas minúsculas, incluindo nanopartículas de metal e semicondutor individuais, partículas de vírus, lipossomas e biomoléculas maiores, como anticorpos.

As nanoválvulas funcionam de forma diferente das válvulas clássicas, que são usados ​​para fechar e abrir mecanicamente o fluxo em dutos, como em uma torneira. "Essas válvulas mecânicas podem ser miniaturizadas, mas não tanto quanto precisaríamos para aplicações em nanoescala, "explica o professor da ETH Poulikakos." Se os canais forem mais finos do que algumas dezenas de micrômetros, eles não podem ser mecanicamente fechados e abertos com qualquer regularidade. "

Gargalo com eletrodos

Para abrir e fechar o fluxo de nanopartículas em canais ultrafinos, os cientistas da ETH fizeram uso de forças elétricas. Eles trabalharam com canais gravados em um chip de silício. Eles tinham um diâmetro de apenas 300 a 500 nanômetros - menos de um centésimo do diâmetro de um fio de cabelo humano. Eles então construíram nanoválvulas nesses canais, estreitando os canais nos locais de válvula desejados usando nanolitografia e colocando um eletrodo em ambos os lados desses gargalos.

Nanopartículas em água pura não podem simplesmente passar pelo gargalo; para eles, a válvula em seu estado básico está fechada. Ao ativar o eletrodo de maneiras específicas, o campo elétrico no gargalo pode ser alterado. Isso leva a uma força que atua em qualquer nanopartícula presente, que empurra as partículas através do gargalo - é assim que a válvula é "aberta".

Nanopartículas em solução salina, Contudo, se comportam de maneira diferente:eles podem passar pelo gargalo em seu estado básico - para eles, a válvula está "aberta". No entanto, como os cientistas foram capazes de mostrar, essas partículas podem ser interrompidas nos eletrodos por meio de uma aplicação habilidosa de campos elétricos alternados. Desta maneira, por exemplo, partículas biológicas, como vírus, lipossomas e anticorpos que geralmente estão presentes em fluidos salinos tanto na natureza quanto no laboratório podem ser facilmente manipulados.

Controlando nanopartículas vibratórias

"É fundamentalmente difícil examinar nanopartículas individuais em um líquido, porque o movimento browniano atua em nanoescala, "explica Hadi Eghlidi, Cientista Sênior do grupo de Poulikakos. As minúsculas partículas não permanecem paradas, mas vibram constantemente, com um raio de movimento que é muitas vezes seu diâmetro. "Contudo, podemos capturar as moléculas em um pequeno espaço entre duas ou mais válvulas e, em seguida, examiná-las em um microscópio, por exemplo."

Como parte de uma prova de conceito, os cientistas prepararam um bloqueio de isolamento e classificação com uma junção e três válvulas em um chip de silício (veja a imagem acima). Uma nanopartícula individual pode ser capturada e examinada na junção. As válvulas podem então ser controladas para que a partícula deixe o sistema através de um dos dois canais de saída, permitindo que as nanopartículas em um líquido sejam classificadas em duas classes. Junto com colegas da Universidade de Zurique, os pesquisadores da ETH conseguiram usar o sistema para manipular minúsculas nanopartículas semicondutoras (pontos quânticos) e anticorpos - ambos com um diâmetro de apenas 10 nanômetros.

Aplicativos Lab-on-a-chip

Como os cientistas enfatizam, isto é, em princípio, possível organizar um sistema nanocanal complexo com qualquer número de válvulas controláveis ​​em um chip de silício. "Ajustando o campo elétrico nos eletrodos, no futuro, poderá ser possível usar as válvulas como filtro, deixar partículas com propriedades físicas particulares passarem enquanto bloqueia outras, "diz Christian Höller, estudante de doutorado no grupo de Poulikakos.

Os cientistas agora gostariam de desenvolver a tecnologia em conjunto com parceiros para torná-la pronta para uso padrão em pesquisa. Uma vez que permite que as partículas em um pequeno chip sejam classificadas, por exemplo, pode ser de interesse na ciência dos materiais, química ou biomedicina. Também pode ser possível usar esta técnica para isolar partículas sintéticas ou biológicas para examiná-las microscopicamente ou para analisá-las sob a influência de drogas farmacêuticas.