Patroon in eierdoosstijl houdt geladen nanodeeltjes op hun plaats en is geschikt voor een breed scala aan toepassingen

Onderzoekers van de University of Michigan en de Seoul National University of Science and Technology hebben een nieuwe methode bedacht voor het vervaardigen van apparaten die deeltjes op micro- en nanoschaal met nauwkeurige afmetingen en gepositioneerde deeltjes vereisen. De techniek is geschikt voor een breed scala aan assemblage van objecten op micro- en nanoschaal, en bruikbaar voor elektronische apparaten en biologische toepassingen.

“Het is heel moeilijk om dingen op microscopische en nanoschaal te reguleren. Je wilt dat de deeltjes daar blijven zitten, maar dat doen ze niet”, zegt Jay Guo, projectleider en hoogleraar elektrotechniek en informatica. “We hebben een manier gevonden om grote hoeveelheden deeltjes te sorteren en te lokaliseren, en we kunnen dit op een zeer schaalbare manier doen.”

Met dit vermogen zouden ingenieurs in staat zijn om efficiënter fotonische kristallen, filtratie-apparaten en biologische tests te vervaardigen en te assembleren, gevoeligere detectie-apparaten te maken en nog veel meer.

Guo werkt al tientallen jaren op het gebied van nanofabricage, te beginnen met zijn werk aan roll-to-roll nano-imprintlithografie. Hij schakelde over op de huidige methode van nanopatronen, waarbij hij alleen vertrouwde op een gesneden siliciumwafel vanwege de relatieve eenvoud en snelheid.

De nieuwe methode voegt een elektrische lading toe, wat het verschil lijkt te maken.

Het microfluïdische apparaat maken

Het doel van dit onderzoek was om te komen tot een laag geordende micro- of nanodeeltjes van gelijke grootte die in een apparaat met arrays met hoge dichtheid konden worden geïntegreerd. De huidige methoden om dit te doen zijn vaak vervelend en vereisen gecompliceerde structuren. Of ze zijn het meest geschikt voor deeltjes van 10 tot 100 micrometers, waardoor het scheiden en sorteren van submicrometerdeeltjes een hardnekkige uitdaging blijft.

Guo en zijn internationale team van onderzoekers, waaronder oud-student prof. Jong G. Ok, hebben een microfluïdisch apparaat samengesteld dat hun gewenste doelen bereikte met een methode die ook schaalbaar is en relatief lage kosten. Ok’s team is doorgegaan met het pushen van de inschrijftechnologie in zijn instituut in Korea.

Het hart van het apparaat is een speciaal ontworpen substraat dat de deeltjes van een specifieke grootte in een geordende opstelling opvangt. Om dit te doen, maakten de onderzoekers eerst inkepingen, in de vorm van nanovoids, in een polycarbonaatsubstraat door middel van een patroontechniek die bekend staat als dynamische nano-inscriptie (DNI). De resulterende nanovoids waren allemaal even groot.

Het substraat wordt vervolgens bedekt met Al2O3 en na onderdompeling in een zoutoplossing positief geladen.

Figuur 1 toont de testopstelling, waardoor fluïde deeltjes ter grootte van een micron het systeem kunnen binnendringen en over het substraat kunnen stromen voordat ze worden verlaten. Deze deeltjes zijn negatief geladen om hun aantrekkingskracht op de positief geladen nanoholtes in het substraat te vergroten. Ze kregen ook fluorescerende labels voor gemakkelijke detectie.

Je zou verwachten dat de meeste deeltjes gewoon naar de bodem van de vloeistof zouden vallen en op het substraat zouden rusten, maar dat is niet wat er gebeurde.

In plaats daarvan rustten alleen die van een specifieke grootte in de nanoholtes. Drie verschillende groottes van deeltjes werden in het systeem geïnjecteerd: 200 nm, 500 nm en 1000 nm (of 1