Valvole per particelle minuscole

I ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato minuscole valvole che possono essere utilizzate per separare e selezionare singole nanoparticelle dai liquidi. Le valvole sono adatte a una vasta gamma di particelle minuscole, tra cui singole nanoparticelle di metallo o semiconduttori, particelle di virus, liposomi o biomolecole più grandi come gli anticorpi.

Le nanovalvole funzionano in modo diverso dalle valvole convenzionali, che vengono utilizzate per chiudere e aprire meccanicamente un tubo come un rubinetto. "Tali valvole meccaniche possono essere miniaturizzate, ma non in misura rilevante", spiega l'ETH Poulikakos. "Se i tubi sono più sottili di qualche decina di micrometri, non possono essere chiusi e aperti meccanicamente".

Costrizione con elettrodi

Gli scienziati dell'ETH hanno utilizzato le forze elettriche per riuscire ad aprire e chiudere linee circa cento volte più sottili, con la frequenza necessaria. I ricercatori hanno lavorato con linee incise in un chip di silicio con un diametro di soli 300-500 nanometri. Si tratta di meno di un centesimo del diametro di un capello umano. Hanno costruito nanovalvole in queste linee restringendole leggermente con la nanolitografia e attaccando un elettrodo a entrambi i lati della costrizione.

Le nanoparticelle in acqua pura non possono semplicemente passare attraverso la costrizione. Allo stato di base, la valvola è chiusa per loro. Attivando gli elettrodi in un certo modo, il campo elettrico nella costrizione cambia. Ciò si traduce in una forza che agisce sulle nanoparticelle presenti e che spinge le particelle attraverso la costrizione, consentendo alla valvola di aprirsi.

Le nanoparticelle in una soluzione salina si comportano in modo diverso: possono passare attraverso il collo di bottiglia allo stato fondamentale - la valvola è aperta per loro. Tuttavia, come gli scienziati sono riusciti a dimostrare, queste particelle possono essere trattenute applicando abilmente campi di corrente alternata agli elettrodi. In questo modo è possibile manipolare particelle biologiche come virus, liposomi o anticorpi, normalmente presenti in liquidi salati sia in natura che in laboratorio.

Domare le nanoparticelle tremanti

"? fondamentalmente difficile analizzare le singole nanoparticelle in un liquido perché il moto browniano agisce su scala nanometrica", spiega Hadi Eghlidi, Senior Scientist del gruppo di Poulikakos. Le piccole particelle non stanno ferme, ma tremano costantemente, con un raggio di movimento che è molte volte il loro diametro. "Tra due o più valvole, tuttavia, possiamo tenere le molecole in uno spazio ristretto ed esaminarle, ad esempio, al microscopio".

Nell'ambito di una prova di concetto, gli scienziati hanno creato una chiusa di separazione e smistamento con una diramazione e tre valvole su un chip di silicio (vedi immagine sopra). Una singola nanoparticella può essere catturata e analizzata nel punto di diramazione. Le valvole possono poi essere controllate in modo che la particella lasci il sistema attraverso una delle due linee di uscita. Le nanoparticelle nel liquido possono così essere suddivise in due classi. Insieme ai colleghi dell'Università di Zurigo, i ricercatori dell'ETH sono riusciti a utilizzare questo sistema anche per trattare minuscole nanoparticelle di semiconduttori (i cosiddetti punti quantici) e anticorpi, entrambi con un diametro di soli 10 nanometri.

Applicazioni Lab-on-a-chip

Come sottolineano gli scienziati, in linea di principio è possibile organizzare un numero qualsiasi di sistemi complessi di nanoconduttori con un numero qualsiasi di valvole controllabili su un chip di silicio. "Regolando con precisione il campo elettrico agli elettrodi, in futuro potrebbe essere possibile utilizzare le valvole come filtri che consentono il passaggio di particelle con determinate proprietà fisiche, ma non di altre", afferma Christian H?ller, dottorando del gruppo di Poulikakos.

Gli scienziati vogliono ora sviluppare ulteriormente la tecnologia insieme ai partner per renderla pronta per le applicazioni nella ricerca. Ad esempio, potrebbe essere utilizzata per selezionare le particelle su un piccolo chip, il che sarebbe interessante per la scienza dei materiali o la biomedicina. Potrebbe anche essere utilizzata per separare particelle sintetiche o biologiche per esaminarle al microscopio, ad esempio, o per analizzare l'influenza degli ingredienti farmaceutici attivi su di esse.