科学家利用电子束操纵氧化石墨烯制造“虚拟分选纳米机器”

日本名古屋大学的研究人员开发了一种界面，可以在不需要制造实际设备的情况下创建“虚拟分拣纳米机器”。

通过将电子束投射到薄氮化硅膜上，它们产生了可编程电场，其功能类似于微流体装置——通过微观通道移动极少量流体的系统。这使他们能够在任何所需的位置和时间按尺寸移动和分类纳米材料。

研究结果发表在《胶体与表面A:物理化学与工程》杂志上。

科学家们使用了氧化石墨烯（GO），一种只有一个原子厚的碳材料。其性质和细胞相互作用因纸张尺寸而异，因此尺寸分类方法很重要。传统方法需要具有固定结构的复杂预制微流体装置。

新方法通过创建可以立即移动或重新配置的临时、可编程的电场模式来消除这一限制。这使得GO片材能够精确分类，然后可以根据其尺寸依赖的特性捕获污染物、溶剂和生物分子。

当电场模式投影到带有GO片的溶液上时，两种力同时作用，但方向相反：电渗流将片拉向图案，电泳斥力将它们推开。这种运动是由于不同尺寸的GO片材之间表面电荷与质量比的差异而发生的。

较小的GO片材的总电荷较少，但它们的质量和体积也明显较小。这赋予了它们更高的表面电荷质量比，使它们在被电场排斥时移动得更快。研究人员测量了不同尺寸的GO片材（5-50μm2）的速度，发现随着片材尺寸的减小，排斥速度成比例增加。

这使他们能够在特定位置按尺寸分离片材，并创建按需出现的虚拟分拣纳米机器，而不需要复杂的预制微流体设备。

研究人员能够通过改变电场模式来改善对石墨烯片的控制。例如，他们制作了不同的环形图案，这些图案会定期变化，以改善各种尺寸纸张的分离，并创建了移动的半圆图案，以将纸张推向溶液中的不同方向。

“这项研究代表了纳米材料加工的范式转变，”博士生兼主要作者Ken Sasaki评论道。“我们现在可以对按需出现和运行的虚拟纳米机器进行编程，而不是构建复杂的微流体设备。这允许通过可编程力场进行机械工作的无材料制造。”名古屋大学微纳米机械科学与工程系的Takayuki Hoshino教授强调，这项技术在环境修复和医疗保健应用方面具有巨大的潜力。

“例如，如果发生工业泄漏，可以开发这项技术进行现场部署，对GO表进行分类，以最佳地去除污染物，而不是先将材料运送到设施，”他解释道。p