Las nanoválvulas recientemente desarrolladas permiten controlar el flujo de nanopartículas individuales en líquidos en pequeños canales. Esto es de interés para aplicaciones de laboratorio en un chip, como en ciencia de materiales y biomedicina.

Investigadores de ETH Zurich han desarrollado válvulas diminutas que permiten separar y clasificar nanopartículas individuales en líquidos. Las válvulas se pueden utilizar para una amplia gama de partículas diminutas, incluyendo nanopartículas de metales y semiconductores individuales, partículas de virus, liposomas y biomoléculas más grandes como los anticuerpos.

Las nanoválvulas funcionan de manera diferente a las válvulas clásicas, que se utilizan para cerrar y abrir mecánicamente el flujo en tuberías, como en un grifo. "Estas válvulas mecánicas se pueden miniaturizar, pero no tanto como necesitaríamos para aplicaciones a nanoescala, "explica el profesor de ETH Poulikakos." Si los canales son más delgados que unas pocas docenas de micrómetros, no pueden cerrarse mecánicamente y abrirse con regularidad ".

Cuello de botella con electrodos

Para abrir y cerrar el flujo de nanopartículas en canales ultrafinos, los científicos de la ETH hicieron uso de fuerzas eléctricas. Trabajaron con canales grabados en un chip de silicio. Estos tenían un diámetro de solo 300 a 500 nanómetros, menos de una centésima parte del diámetro de un cabello humano. Luego construyeron nanoválvulas en estos canales estrechando los canales en las ubicaciones deseadas de las válvulas utilizando nanolitografía y colocando un electrodo en ambos lados de estos cuellos de botella.

Las nanopartículas en agua pura no pueden simplemente atravesar el cuello de botella; para ellos, la válvula en su estado básico está cerrada. Activando el electrodo de formas particulares, el campo eléctrico en el cuello de botella se puede cambiar. Esto conduce a una fuerza que actúa sobre las nanopartículas presentes, que empuja las partículas a través del cuello de botella - así es como se "abre" la válvula.

Nanopartículas en solución salina, sin embargo, se comportan de manera diferente:pueden atravesar el cuello de botella en su estado básico; para ellos, la válvula está "abierta". Sin embargo, como los científicos pudieron demostrar, estas partículas pueden detenerse en los electrodos mediante una hábil aplicación de campos eléctricos alternos. De este modo, por ejemplo, partículas biológicas como virus, Los liposomas y anticuerpos que suelen estar presentes en los fluidos salinos tanto en la naturaleza como en el laboratorio pueden manipularse fácilmente.

Controlando nanopartículas vibrantes

"Es fundamentalmente difícil examinar nanopartículas individuales en un líquido, porque el movimiento browniano actúa a nanoescala, "explica Hadi Eghlidi, Científico senior del grupo de Poulikakos. Las diminutas partículas no permanecen quietas, sino que vibran constantemente, con un radio de movimiento que es muchas veces su diámetro. "Sin embargo, podemos capturar las moléculas en un pequeño espacio entre dos o más válvulas y luego examinarlas bajo un microscopio, por ejemplo."

Como parte de una prueba de concepto, los científicos prepararon una cerradura de clasificación y aislamiento con una unión y tres válvulas en un chip de silicio (ver imagen de arriba). Se puede capturar y examinar una nanopartícula individual en la unión. Luego, las válvulas se pueden controlar para que la partícula salga del sistema a través de uno de los dos canales de salida, permitiendo clasificar las nanopartículas en un líquido en dos clases. Junto con colegas de la Universidad de Zurich, Los investigadores de ETH lograron utilizar el sistema para manipular diminutas nanopartículas semiconductoras (puntos cuánticos) y anticuerpos, ambos con un diámetro de solo 10 nanómetros.

Aplicaciones de laboratorio en un chip

Como enfatizan los científicos, está, en principio, posible organizar un complejo sistema de nanocanales con cualquier número de válvulas controlables en un chip de silicio. "Al ajustar el campo eléctrico en los electrodos, en el futuro podría ser posible utilizar las válvulas como filtro, dejar pasar partículas con propiedades físicas particulares mientras bloquea otras, "dice Christian Höller, estudiante de doctorado en el grupo de Poulikakos.

A los científicos ahora les gustaría seguir desarrollando la tecnología junto con los socios para que esté lista para su uso estándar en la investigación. Dado que permite clasificar las partículas de un pequeño chip, por ejemplo, podría ser de interés en la ciencia de los materiales, química o biomedicina. También puede ser posible utilizar esta técnica para aislar partículas sintéticas o biológicas para examinarlas microscópicamente o analizarlas bajo la influencia de fármacos.