Τα μόρια μπορούν να μείνουν ακίνητα, ενάντια στην κίνηση Brown

Πηγή: Physical Review Focus, Απρίλιος 2005

Σωματίδια που αιωρούνται σ' ένα υγρό, κινούνται ακατάπαυστα λόγω του φαινομένου της κίνησης Brown, κατά τυχαίο τρόπο, πράγμα που καθιστά δύσκολο τον χειρισμό τους. Μια νέα τεχνική παγίδευσης που περιγράφεται στο τεύχος Μαρτίου του περιοδικού Physical Review Letters, εξουδετερώνει με δραστικό τρόπο την κίνηση Brown ενός σωματιδίου, κατευθύνοντας προς αυτό τη σωστή ροή υγρού κάθε στιγμή. Το σύστημα αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να ακινητοποιήσουν και να διαχειριστούν πιο μικρά σωμάτια από αυτά που πετυχαίνουν με τις τρέχουσες τεχνικές. Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην κατασκευή νανομηχανών και να κρατήσει ακίνητα τα βιομόρια για να καταγραφούν με κάμερα οι αλληλεπιδράσεις τους

Ακόμη και σε ένα τελείως ακίνητο υγρό, διάφορα μικροσκοπικά αντικείμενα κινούνται τυχαία καθώς τα χτυπούν απ' όλες τις πλευρές τους τα μόρια του υγρού. Τα εργαλεία που χρησιμοποιούμε σήμερα για την παγίδευσή τους, - όπως είναι οι οπτικές λαβίδες, οι οποίες συγκρατούν τα αντικείμενα με δέσμες λέιζερ- μπορούν να προγραμματιστούν ώστε να προσαρμόζουν γρήγορα τη δύναμη που ασκούν και να αντισταθμίζουν έτσι την κίνηση Brown. Οι τεχνικές αυτές όμως, δεν είναι πρακτικές για τον χειρισμό αντικειμένων με μέγεθος μικρότερο από 100 νανόμετρα. 

Ο μεταπτυχιακός σπουδαστής Adam Cohen στο πανεπιστήμιο Stanford της California έχει χρησιμοποιήσει ένα νέο εργαλείο που επινόησε για να παγιδεύσει φθορίζουσες πλαστικές χάντρες με διάμετρο μόλις 20 νανομέτρων (nm). Η παγίδευση συμβαίνει σ' ένα τετράγωνο επίπεδο θάλαμο (κυψελίδα), γεμάτο με νερό, πλάτους 20 μικρομέτρων που τροφοδοτείται από 4 διαύλους, έναν σε κάθε γωνία του. Κάθε δίαυλος οδηγεί σε ένα ηλεκτρόδιο, και ρυθμίζοντας τις τάσεις των ηλεκτρονίων, το σύστημα μπορεί να δημιουργήσει ένα ηλεκτρικό πεδίο προς οποιαδήποτε επιθυμητή κατεύθυνση πάνω στο επίπεδο της κυψελίδας. Το ηλεκτρικό πεδίο δημιουργεί με τη σειρά του μια μικρή τοπική κυκλοφορία στο νερό σύμφωνα με το φαινόμενο της ηλεκτρο-ώσμωσης. Στο φαινόμενο αυτό, πρόσθετα υδρογονοϊόντα που συνεισφέρονται από τη γυάλινη στήλη, συσσωρεύονται κοντά στις επιφάνειες της κορυφής και του πυθμένα της κυψελίδας, και επειδή η κυψελίδα είναι λεπτή, τα ιόντα αυτά μπορούν να παρασύρουν μαζί τους και μόρια νερού καθώς κινούνται μέσα στο ηλεκτρικό πεδίο. 

Το σύστημα που σχεδίασε ο Cohen, έχει τροφοδοτείται αναδραστικά από υπολογιστή και αντιδρά στιγμιαία στις τυχαίες κινήσεις των χαντρών, τις οποίες ανιχνεύει με τη βοήθεια ενός μικροσκοπίου. Το σύστημα ρυθμίζει το ηλεκτρικό πεδίο αρκετά γρήγορα ώστε να εξουδετερώνει την κίνηση Brown και να διατηρεί τη χάντρα στην ίδια θέση με προσέγγιση 1/2 μικρομέτρου, σαν να ήταν προσαρμοσμένο επάνω της ένα μικροσκοπικό ελατήριο που την επαναφέρει στη θέση της. Ο Cohen μπορεί επίσης να προγραμματίσει την ανάδραση ώστε να παράγει μια ταχύτητα ροής η οποία να εξαρτάται από τη θέση της χάντρας σύμφωνα με οποιαδήποτε εξίσωση επιλέγει ο ίδιος. Η δυνατότητα αυτή του επιτρέπει να εξομοιώνει διάφορους νόμους που υπακούει η δύναμη που ρυθμίζει την κίνηση της χάντρας. Αυτό -όπως λέει ο ίδιος - θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κατασκευάσουμε διάφορες δομές σε νανοκλίμακα. "Θα μπορούσατε να πιάσετε ένα μόριο κάποια στιγμή, και να το φέρετε να αντιδράσει με κάποιο άλλο", λέει ο ίδιος. Ο Cohen έχει επίσης χρησιμοποιήσει το εργαλείο του για να ξαναελέγξει μερικές προβλέψεις της θεωρίας για την κίνηση Brown. 

Σε ένα άλλο τρόπο λειτουργίας του συστήματός του, ο Cohen μπορεί να μεταφέρει ένα σωμάτιο όπου θέλει, με την μετακίνηση του κέρσορα σε μια οθόνη. Εκτός από χάντρες, ο Cohen έχει παγιδεύσει επίσης ιούς, κυστίδια λιπιδίων και τμήματα από DNA. Ο ίδιος λέει ότι η νέα μέθοδος παγίδευσης, θα μπορούσε να λειτουργήσει σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους ώστε να επιτρέψει στους ερευνητές να παρακολουθήσουν βιοχημικές διαδικασίες καθώς αυτές αναπτύσσονται. 

Η παγίδα αυτή είναι μια βελτίωση μιας προηγούμενης ιδέας του[1]. Πιστεύει ότι με περεταίρω βελτιώσεις θα μπορούσε να χειριστεί σωμάτια μεγέθους ενός νανομέτρου, πράγμα που είναι δύσκολο να το πετύχουμε με οπτικές λαβίδες. Από την άλλη πλευρά, οι οπτικές λαβίδες μπορούν να παγιδεύσουν και να χειριστούν αρκετές εκατοντάδες αντικείμενα συγχρόνως, κάτι που μοιάζει πολύ δύσκολο να επιτευχθεί με την καινούργια τεχνική, λέει ο David Grier του πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης. Ο ίδιος όμως και ο Vincent Croquette της École Normale Supérieure στο Παρίσι, πιστεύουν ότι η νέα τεχνική παγίδευσης θα είναι ένα χρήσιμο πρόσθετο εργαλείο για τους βιοφυσικούς. 

Αναφορές:[1] Adam E. Cohen and W. E. Moerner, "Method for trapping and manipulating nanoscale objects in solution," Appl. Phys. Lett. 86, 093109 (2005).