Ученые из Германии предложили усовершенствованную конструкцию устройства, позволяющего отделить маленькие частицы от крупных с вероятностью ошибки менее 1% и не содержащего никаких движущихся частей. Идея устройства опирается на спонтанные движения частиц различных размеров. Конструкция представляет собой трубку с переменным внутренним диаметром, имеющим пилообразный профиль. Хотя подобные структуры исследовались и ранее, группа ученых впервые предложила использовать их совместно с приложением внешнего электрического поля, что, как показало компьютерное моделирование, позволяет частицам различных диаметров выходить с разных концов трубки.

Процесс сортировки частиц по размеру при движении в жидкости имеет большое значение для дальнейшего развития биохимии, в частности, для анализа ДНК и молекул белков, а также для получения коллоидных растворов с однородными частицами. Одна из техник разделения заключается в том, что частицы движутся случайным образом, но тормозятся искусственными методами в одном из направлений. Таким образом, появляется прогрессия движения в противоположном направлении. В этом случае разделение происходит, за счет того, что величина этой прогрессии напрямую зависит от размера частицы.

За последние 10 лет исследователи со всего мира предложили несколько техник разделения частиц, в основном основанных на структурах с пилообразным профилем. Некоторые из них были реализованы на практике, однако их эффективность была ограничена. Решая ту же проблему, группа ученых из University of Augsburg (Германия) разработала новый подход к этим «сортирующим» устройствам.

Рис. 1. «Пилообразное» устройство, сортирующее частицы по размеру.

Ученые предложили использовать специальный математический аппарат. В расчетах они рассматривали энтропию системы в качестве ее потенциальной энергии, включая в расчет «барьеры» для энтропии, отталкивающие частицы. По их мнению, все области, где частицы ограничены в пространстве, характеризуются снижением количества возможных состояний для этих частиц. Соответственно, чем меньше область – тем более в них снижается энтропия. Как шары, скатывающиеся по холму, частицы в подобном устройстве стремятся двигаться в противоположную сторону от областей с низкой энтропией.

Команда применила свои формулы к трубке, внутренний диаметр которой периодически изменялся (в разрезе внутренние стенки имели пилообразный несимметричный профиль, а размер одного периода этой «пилы» не превышал в длину нескольких микрон). Созданные таким образом «энтропийные барьеры» препятствуют движению частицы. Но, как было отмечено выше, барьеры не являются симметричными, т.е. появляется прогрессия движения частиц в определенном направлении.

Чтобы продемонстрировать описанный энтропийный эффект в рамках компьютерного моделирования эксперимента команда использовала внешнее переменное воздействие, раскачивающее частицы вдоль трубки, а также некоторую постоянную силу, направленную в сторону наибольших «энтропийных барьеров». В реальном эксперименте роль внешних сил может играть электрическое поле.

Результаты компьютерного моделирования показывают, что, несмотря на простоту конструкции устройства, оно превосходно решает поставленную задачу: благодаря двум приложенным внешним силам, частицы разного размера действительно расходятся в разные стороны, выходя со «своей» стороны трубки. Численный расчет на примере «сортировки» молекул ДНК показал, что «чистота» метода может достигать 99,997%.

Подробные результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters. По мнению коллег ученых,

предложенная схема работы открывает принципиально новые возможности для устройств, сортирующих частицы по размеру. Хотя высказываются и сомнения относительно желаемого эффекта воздействия гипотетических внешних сил.