Les nanovannes récemment développées permettent de contrôler le flux de nanoparticules individuelles dans les liquides dans de minuscules canaux. Cela présente un intérêt pour les applications de laboratoire sur puce telles que la science des matériaux et la biomédecine.

Des chercheurs de l'ETH Zurich ont développé de minuscules valves qui permettent de séparer et de trier les nanoparticules individuelles dans les liquides. Les vannes peuvent être utilisées pour une très large gamme de particules minuscules, y compris les nanoparticules individuelles de métal et de semi-conducteur, particules virales, les liposomes et les biomolécules plus grosses telles que les anticorps.

Les nanovalves fonctionnent différemment des valves classiques, qui sont utilisés pour fermer et ouvrir mécaniquement le flux dans les canalisations, comme dans un robinet. "Ces vannes mécaniques peuvent être miniaturisées, mais pas autant que nous en aurions besoin pour des applications à l'échelle nanométrique, " explique le professeur de l'ETH Poulikakos. " Si les canaux sont plus fins que quelques dizaines de micromètres, ils ne peuvent pas être fermés et ouverts mécaniquement avec une quelconque régularité."

Goulot d'étranglement avec électrodes

Afin d'ouvrir et de fermer le flux de nanoparticules dans des canaux ultrafins, les scientifiques de l'ETH ont utilisé des forces électriques. Ils ont travaillé avec des canaux gravés dans une puce de silicium. Ceux-ci avaient un diamètre de seulement 300 à 500 nanomètres, soit moins d'un centième du diamètre d'un cheveu humain. Ils ont ensuite construit des nanovalves dans ces canaux en rétrécissant les canaux aux emplacements de valve souhaités à l'aide de la nanolithographie et en plaçant une électrode des deux côtés de ces goulots d'étranglement.

Les nanoparticules dans l'eau pure ne peuvent pas simplement traverser le goulot d'étranglement; pour eux, la vanne dans son état de base est fermée. En activant l'électrode de manières particulières, le champ électrique dans le goulot d'étranglement peut être modifié. Cela conduit à une force agissant sur toutes les nanoparticules présentes, qui pousse les particules à travers le goulot d'étranglement - c'est ainsi que la vanne est "ouverte".

Nanoparticules dans une solution saline, cependant, se comportent différemment :ils peuvent traverser le goulot d'étranglement dans son état de base - pour eux, la vanne est "ouverte". Pourtant, comme les scientifiques ont pu le montrer, ces particules peuvent être arrêtées au niveau des électrodes grâce à une application habile de champs électriques alternatifs. De cette façon, par exemple, des particules biologiques telles que des virus, les liposomes et les anticorps qui sont généralement présents dans les fluides salins à la fois dans la nature et en laboratoire peuvent être facilement manipulés.

Contrôler les nanoparticules vibrantes

"Il est fondamentalement difficile d'examiner des nanoparticules individuelles dans un liquide, parce que le mouvement brownien agit à l'échelle nanométrique, " explique Hadi Eghlidi, Scientifique principal dans le groupe de Poulikakos. Les minuscules particules ne restent pas immobiles mais vibrent en permanence, avec un rayon de mouvement qui est plusieurs fois leur diamètre. "Toutefois, nous pouvons capturer les molécules dans un petit espace entre deux ou plusieurs valves, puis les examiner au microscope, par exemple."

Dans le cadre d'une preuve de concept, les scientifiques ont préparé un sas d'isolement et de tri avec une jonction et trois valves sur une puce de silicium (voir image ci-dessus). Une nanoparticule individuelle peut être capturée et examinée à la jonction. Les vannes peuvent alors être commandées pour que la particule quitte le système par l'un des deux canaux de sortie, permettant de trier les nanoparticules dans un liquide en deux classes. Avec des collègues de l'Université de Zurich, les chercheurs de l'ETH ont réussi à utiliser le système pour manipuler de minuscules nanoparticules semi-conductrices (points quantiques) et des anticorps, tous deux d'un diamètre de seulement 10 nanomètres.

Applications de laboratoire sur puce

Comme le soulignent les scientifiques, il est, en principe, possible d'organiser un système complexe de nanocanaux avec un nombre quelconque de valves contrôlables sur une puce de silicium. "En ajustant le champ électrique aux électrodes, à l'avenir, il pourrait être possible d'utiliser les vannes comme filtre, laisser passer des particules aux propriétés physiques particulières tout en bloquant les autres, " dit Christian Höller, doctorant dans le groupe Poulikakos.

Les scientifiques souhaitent maintenant développer davantage la technologie avec des partenaires pour la rendre prête à une utilisation standard dans la recherche. Puisqu'il permet de trier les particules sur une petite puce, par exemple, cela pourrait être intéressant pour la science des matériaux, chimie ou biomédecine. Il peut également être possible d'utiliser cette technique pour isoler des particules synthétiques ou biologiques pour les examiner au microscope ou pour les analyser sous l'influence de médicaments pharmaceutiques.