logo-print

News and Press

Separating substances with a 100-year-old idea

  • 14 January 2013
Photo: TU Eindhoven/Bart van Overbeeke

How can you make use of the energy from the random collisions between molecules, known as Brownian motion? With a ‘Brownian ratchet’, an idea that dates back to 1912. Doctoral candidate Wijnand Germs built an electronic variant of the ratchet that allows microscopic particles to be separated by size. The principle can be applied in medical self-testers. Germs will gain his PhD on 16 January at Eindhoven University of Technology (TU/e).

Particles in a fluid are constantly thrown backwards and forwards by collisions with the molecules of the fluid. This is called Brownian motion. The Polish physicist Marian Smoluchowski conceived a thought experiment in 1912 in which the energy from those random collisions could be used to make objects move in a well-defined direction. However this ‘Brownian ratchet’ conflicted with the laws of physics, because it suggested that a wheel could be made to rotate spontaneously. Fifty years later the American physicist Richard Feynman thought of a crucial modification through which the ratchet really could be made to work.

Smoluchowski’s Brownian ratchet. A paddle wheel (right) is connected by a shaft to a wheel with a pawl – the ratchet. Air molecules collide with the paddles. When the system is in equilibrium, just the same number of molecules collide with each side of a paddle, and the wheel will not perform a net rotation. The purpose of the ratchet is to allow the wheel to turn in only one direction: a net Brownian movement. That’s not possible, according to the laws of thermodynamics. You can’t extract energy from a system that is in equilibrium. Feynman’s solution was to take the system out of equilibrium, for example by placing the paddle wheel in a higher-temperature environment.

Elektronische ratel
Sinds een jaar of twintig bestaat de Brownse ratel niet alleen op papier, maar zijn veel varianten ervan experimenteel gerealiseerd. Op steeds meer terreinen blijkt deze ‘wetenschappelijke rariteit’ een nuttig instrument. Wijnand Germs van de onderzoeksgroep Molecular Materials and Nanosystems (M2N) aan de TU/e richtte zich in zijn promotieonderzoek op een Brownse ratel die polystyreenbolletjes van 300 en 500 nanometer groot kan laten bewegen.

Heuvellandschap
Zijn ratel omvat een zeer smal waterkanaaltje waarin de bolletjes zich bevinden. Onder het kanaal zijn slim vormgegeven vingerelektroden aangebracht die een soort elektronisch heuvellandschap creëren. Als Germs de elektrische spanning uitzet, verspreiden de bolletjes zich door de botsingen met watermoleculen (Brownse beweging) in beide richtingen van het kanaal. Als hij vervolgens de spanning weer aanzet, worden de bolletjes in de dalen gevangen. Alleen is het heuvellandschap asymmetrisch, waardoor meer bolletjes in de ene richting gevangen worden dan in de andere. Netto zijn de bolletjes dan bewogen.

Medische zelftesters
Uit het onderzoek van Germs bleek dat de grootte van de bolletjes bepaalt hoe sterk deze beweging is. Dit type ratel kan daardoor ingezet worden om bolletjes – of moleculen in het algemeen – te scheiden op grootte. Dat kan van toepassing zijn in de momenteel in ontwikkeling zijnde medische zelftesters (lab-on-a-chips) waarin bloed, speeksel of urine in dunne microkanaaltjes wordt geanalyseerd. Maar ook bij de productie van nanodeeltjes is scheiden op grootte van belang.