2018年3月，世界知名的科研團(tuán)隊(duì)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(guò)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)尺度小至納米量級(jí)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(guò)精確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(lèi)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)納米顆粒的能級(jí)圖譜。他們通過(guò)將非對(duì)稱(chēng)勢(shì)壘與振蕩電磁場(chǎng)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(lèi)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量級(jí)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(guò)濾、單分散制備）具有應(yīng)用潛力外，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒進(jìn)行尺寸選擇性輸運(yùn)、收集的芯片器件，在床邊檢測(cè)及生化領(lǐng)域（如分子分離、預(yù)濃縮）的應(yīng)用亦被寄予厚望。

閃爍棘輪型布朗馬達(dá)中的顆粒擴(kuò)散效應(yīng)依賴(lài)于顆粒的尺寸，研究人員對(duì)這類(lèi)馬達(dá)在顆粒分類(lèi)方面的應(yīng)用潛力進(jìn)行了探究。與連續(xù)層式流動(dòng)器件的情況相似，利用外加力來(lái)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)利用零平均外加力和靜態(tài)勢(shì)壘產(chǎn)生直接的定向顆粒運(yùn)動(dòng)，其輸運(yùn)特性與其所傳輸顆粒的擴(kuò)散特性之間表現(xiàn)出了一種極其顯著的非線(xiàn)性依賴(lài)關(guān)系，這對(duì)納米顆粒的區(qū)分、分離來(lái)說(shuō)具有重要的意義和應(yīng)用潛力。對(duì)于納米尺度的顆粒來(lái)說(shuō)，如何創(chuàng)造出能量足夠強(qiáng)的靜態(tài)勢(shì)壘，是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。 

靜電俘獲為這個(gè)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(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(shì)壘。Skaug等人將幾何結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)靜電俘獲的思路進(jìn)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(jiǎn)單的二維凹陷結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)造出針對(duì)納米顆粒的復(fù)雜二維能級(jí)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(dá)到納米量級(jí)。

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(xiàn)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(cè)量的平均勢(shì)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(chǎng)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(xiàn)（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(shì)壘曲線(xiàn)對(duì)比；（E）由因子α確定的棘齒能量勢(shì)壘通用曲線(xiàn)。

圖3 粒徑60 nm與粒徑100 nm的金顆粒的分類(lèi)：（A）分類(lèi)器件的形貌圖像；（B）圖（A）白色虛線(xiàn)框內(nèi)區(qū)域的放大圖；（C）上圖：金顆粒分類(lèi)原理簡(jiǎn)圖；下圖：相應(yīng)的靜態(tài)能量曲線(xiàn)（實(shí)現(xiàn)為測(cè)量值、虛線(xiàn)為模擬值）；（D）金顆粒在分類(lèi)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(guò)一系列的測(cè)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(guò)精確調(diào)節(jié)表面之間的間隙，一階俘獲勢(shì)壘可以簡(jiǎn)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(cè)的可靠性。搖擺布朗馬達(dá)輸運(yùn)特性的非線(xiàn)性特性以及靜電作用的非線(xiàn)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(cè)可以通過(guò)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(lèi)。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)、精確分離、集聚，且不需要電泳凈流或熱力學(xué)梯度這類(lèi)條件。通過(guò)將更小的棘齒形貌參數(shù)與更低的外加電場(chǎng)相結(jié)合，這類(lèi)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(xiě)技術(shù)助力布朗馬達(dá)盡情“搖擺”

上文中，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，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(xiě)技術(shù)，其水平方向的直寫(xiě)精度可達(dá)10 nm、縱向精度則可以達(dá)到1 nm，直寫(xiě)速度則高達(dá)10 mm/s，堪稱(chēng)3D加工的利器！高精度3D納米結(jié)構(gòu)高速直寫(xiě)設(shè)備-NanoFrazor很好地滿(mǎn)足了Skaug等人的實(shí)驗(yàn)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(xiě)任務(wù)。‍