Kontrola ruchów Browna przy użyciu magnetycznych nanodrutów

Fizycy z USA stworzyli pułapki magnetyczne pozwalające kontrolować chaotyczny ruch cząstek zwany ruchami Browna. Pułapki te, bazujące na magnetycznych zygzakowatych nanodrutach, mogą pomóc naukowcom w przeprowadzaniu eksperymentów chemicznych lub biologicznych w środowiskach mikroprzepływowych, w których płyny są geometrycznie ograniczone do skali submilimetrowej.

Mikroprzepływy (ang. microfluidics) są rozwijającą się gałęzią nauki obejmującą transport pikolitrowych (piko = 10^-12) ilości płynów przez kanały o mikronowej szerokości. Zdolność do przeprowadzania pomiarów bazując tylko na niewielkiej ilości danego obiektu jest niezwykle przydatna dla wielu badaczy m.in. chemików oraz biologów zmuszonych pracować z drogimi lub trudnymi do syntezy materiałami, takimi jak np. nowe lekarstwa. Zaletą układów mikroprzepływowych jest możliwość łączenia ich ze sobą, co pozwala budować wielofunkcyjne urządzenia typu „lab on a chip” służące do badania wielu procesów chemicznych jednocześnie.

Jak kontrolować ruchy Browna?

Kluczowym wymaganiem stawianym mikroprzepływom oraz nanotechnologii jest jednak możliwość manipulowania obiektami o rozmiarze od 100 nanometrów do 10 mikrometrów, gdzie losowe, termicznie „napędzane” ruchy nazywane ruchami Browna odgrywają bardzo istotną rolę. W celu ograniczenia tych chaotycznych ruchów zaproponowano wiele technik badawczych, jednak każda z nich posiada niestety mniej lub bardziej znaczące wady. Na przykład, „szczypce optyczne” potrafią pułapkować cząstki za pomocą pola elektrycznego, wytwarzanego przez zogniskowaną wiązkę laserową, jednak oprócz tego mogą one także powodować lokalny wzrost temperatury. Z kolei, pincety dielektryczne działające w oparciu o zewnętrzne pole elektryczne przykładane między elektrodami, mogą mieć negatywny wpływ na otoczenie.

Niedawno, Aaron Chen wraz ze współpracownikami z Ohio State University in Columbus (USA) zaproponowali nową metodę pułapkowania cząstek, omijającą powyższe trudności. Pułapka opracowana przez naukowców składa się z wygiętych w kształcie zygzaka magnetycznych nanodrutów, wykonanych z żelaza i kobaltu. Tak przygotowane nanodruty osadzano następnie na krzemowym podłożu. W początkowej fazie badań stosowano silne pola magnetyczne, aby namagnesowanie nanodrutów zmieniało się w obrębie każdego ich wierzchołka. Celem takiego zabiegu miało być generowanie pola przypominającego monopole magnetyczne, które spełniałoby rolę pułapek w obszarze każdego z wierzchołków. Strojenie „siły” tychże pułapek odbywało się poprzez stosowanie pól magnetycznych o stosunkowo małej indukcji. W eksperymencie użyto molekuł tlenku żelaza zamkniętych w obudowie z polimeru o promieniu 0,28 lub 0,6 mikrometra. Molekuły te zachowywały się jak paramagnetyki, w związku z czym mogły być pułapkowane przy zastosowaniu słabych pól magnetycznych. Dzięki użyciu kamery CCD zaobserwowano, że cząsteczki tlenku żelaza były utrzymywane w pułapkach o rozmiarach około 100 nanometrów, co stało się wyraźnym dowodem na to, że kontrola chaotycznego ruchu (ruchów Browna) tychże cząstek jest możliwa do zrealizowania.

Potencjalne korzyści

Stephen Russek, fizyk z National Institute of Standards and Technology in Colorado (USA), uznał pracę Chena za niezwykle ważną. „Oprócz tego, że można lokalizować i pułapkować cząstki w określonym miejscu, Chen wykazał także, że można kontrolować ruchy Browna, co jest istotnym krokiem w kontrolowaniu dynamiki reakcji jakichkolwiek biomolekuł”, powiedział. Ruchy Browna są tylko jednymi z wielu stochastycznych (losowych) fluktuacji, których kontrolowanie umożliwi precyzyjną kontrolę procesów biologicznych in vitro oraz in vivo.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com