摇摆机

2018年3月，知名的科研团队IBM Research–Zurich于 Science 杂志发表了新力作：Nanofluidic rocking Brownian motors。IBM Research–Zurich原名为IBM Zurich Research Laboratory，曾因重大发明成果在1986年和1987年获得过诺贝尔物理学奖，为大家所熟知。今天，我们带着原文一同品味纳流控摇摆布朗马达的科学探索。浅读纳流控摇摆布朗马达大多数物质间的相互作用机制会在物质尺度小至纳米量时产生不利的缩放效应，因此，在流体中控制、输运纳米尺度的物体是一个巨大的挑战。通过控制纳流控器件中狭缝结构的几何参数，同时利用类带电粒子与纳流控器件中墙面结构间的静电作用，M. J. Skaug等人设计了针对纳米颗粒的能图谱。他们通过将非对称势垒与振荡电磁场结合，获得了一种摇摆布朗马达，从而可以对纳流体中的纳米颗粒的定向输运进行调控。Skaug分析了此种分子马达的物理机制，与理论模型进行对比后，基于分子马达成功制备了一种分类器件。这种器件可以在几秒钟的时间内使两种不同粒径的纳米颗粒（直径分别为60 nm和100 nm）在器件中沿着相反方向运动，从而实现对两种颗粒的分离。后续的模拟分析结果证明：这种新型器件可以有效区分粒径差异在1 nm量的不同纳米颗粒。除了在材料、环境科学领域（尺寸分析、过滤、单分散制备）具有应用潜力外，可实现对纳米颗粒进行尺寸选择性输运、收集的芯片器件，在床边检测及生化领域（如分子分离、预浓缩）的应用亦被寄予厚望。闪烁棘轮型布朗马达中的颗粒扩散效应依赖于颗粒的尺寸，研究人员对这类马达在颗粒分类方面的应用潜力进行了探究。与连续层式流动器件的情况相似，利用外加力来替代扩散作用会使得尺寸的区分能力变差。摇摆型布朗马达利用零平均外加力和静态势垒产生直接的定向颗粒运动，其输运特性与其所传输颗粒的扩散特性之间表现出了一种其显著的非线性依赖关系，这对纳米颗粒的区分、分离来说具有重要的意义和应用潜力。对于纳米尺度的颗粒来说，如何创造出能量足够强的静态势垒，是一个重大挑战。 静电俘获为这个挑战提供了很好的思路，即：将带电颗粒限制在均匀带电的表面之间。在其中一个表面上制备一个凹陷的几何结构，可以降低此处局部的颗粒-表面相互作用能量，从而定义一个侧向的俘获势垒。Skaug等人将几何结构诱导静电俘获的思路进行了拓展，以利用热扫描探针光刻方法获得的三维结构取代此前简单的二维凹陷结构，从而创造出针对纳米颗粒的复杂二维能图景。这种方法获得的三维结构在纵向的图形控制精度可以达到纳米量。图1 利用热扫描探针光刻技术制备纳流控布朗马达、定义棘齿形貌：（A）纳流控器件中的狭缝截面示意图及俯瞰图；（B）形貌图像；（C）图（B）中的圆环状棘齿结构的放大形貌图；（D）图（B）中白线标识区域的剖面轮廓图，即棘齿台阶轮廓图；（E）被俘获纳米颗粒的光学图像。图2 实验测量的平均势垒的决定因素：（A）四种图形化棘齿的形貌图以及三种控制场的示意图；（B）棘齿单元的轮廓示意图；（C）棘齿限制的纳米颗粒的能量曲线（平均实验数据与有限元模拟数据对比）；（D）九种不同间隙距离的棘齿的能量势垒曲线对比；（E）由因子α确定的棘齿能量势垒通用曲线。图3 粒径60 nm与粒径100 nm的金颗粒的分类：（A）分类器件的形貌图像；（B）图（A）白色虚线框内区域的放大图；（C）上图：金颗粒分类原理简图；下图：相应的静态能量曲线（实现为测量值、虚线为模拟值）；（D）金颗粒在分类器件中不同时刻的光学图像；（E）颗粒的空间分布图像；（F）模拟得到的颗粒漂移与粒径的函数关系。通过一系列的测试以及相应的理论计算、模拟，Skaug等人展示了在水平表面与带有三维图形修饰的表面之间的电泳可以有效限制纳米颗粒，从而创造一个可以由几何形貌结构定义的、针对纳米颗粒的能量图景。通过调节表面之间的间隙，一阶俘获势垒可以简单地按比例缩放，从而提供了一种可以用于优化系统的有效手段。在实验当中，所有与模拟纳流控系统有关的必要物理量都可以原位获取。实验与理论的一致性，证明了对文中系统工作机制的解释以及对系统特性的预测的可靠性。摇摆布朗马达输运特性的非线性特性以及静电作用的非线性特性，是文中器件实现对纳米颗粒高效分离的物理基础。更进一步，基于文中的模拟分析以及Ruggeri等人关于颗粒俘获研究的结果，Skaug等人预测可以通过比例缩放的手段，将文章中的方法应用于对生物小分子的分离、分类。与基于流动的分离机制相反，采用摇摆布朗马达可以实现纳米颗粒的选择性输运、分离、集聚，且不需要电泳净流或热力学梯度这类条件。通过将更小的棘齿形貌参数与更低的外加电场相结合，这类器件将非常适合应用于针对芯片实验室中少量液体的高精度成分分析。高精度3D高速纳米结构高速直写技术助力布朗马达尽情“摇摆”上文中，纳流控摇摆布朗马达中的核心部件是其中的棘齿单元，每个棘齿单元的高度、距离其相对水平面的间距等纵向几何参数，对棘齿的能量壁垒特性具有显著的调控作用，从而影响棘齿结构对器件中纳米颗粒定向输运特性的调节。所以，器件中微结构侧壁的构筑和微结构纵向形貌控制成为为重要的部分及大的技术难题。 为了能够克服这一技术上的难题，文章作者采用了热扫描探针技术，这是一种高精度3D纳米结构高速直写技术，其水平方向的直写精度可达10 nm、纵向精度则可以达到1 nm，直写速度则高达10 mm/s，堪称3D加工的利器！高精度3D纳米结构高速直写设备-NanoFrazor很好地满足了Skaug等人的实验需求，并出色完成了研究中所需的多种高难度微纳图形直写任务。?相关产品及链接：1、 3D纳米结构高速直写机：http://www.instrument.com.cn/netshow/C226568.htm2、小型台式无掩膜光刻系统：http://www.instrument.com.cn/netshow/C197112.htm

项目编号：JLU-WT22225项目名称：吉林大学高分辨X射线衍射仪（含摇摆曲线测量组件）采购项目预算金额：265.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：251.7500000 万元（人民币）采购需求：货物名称：高分辨X射线衍射仪（含摇摆曲线测量组件）数量：一台主要技术参数：1.1最大输出功率：≥4 kW本项目允许进口产品进行投标。合同履行期限：收到信用证后300日内发货。本项目( 不接受 )联合体投标。公告 (3).docx

2022年1月13日，根据中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟（以下简称“宽禁带联盟”）团体标准制定工作程序要求，联盟秘书处组织召开了宽禁带联盟2022年度第一次团体标准评审会。本次评审会采取线上评审的形式，分别对《碳化硅单晶片X射线双晶摇摆曲线半高宽测试方法》等五项团体标准进行了研讨及审定。线上评审评审会由宽禁带联盟秘书长刘祎晨主持，厦门大学张峰教授、中国科学院物理研究所王文军研究员、中国科学院半导体研究所金鹏研究员、孙国胜研究员、刘兴昉副研究员、国网智能电网研究院有限公司杨霏教授级高工、中科院电工所张瑾高工、工业和信息化部电子第四研究院闫美存高工、北京聚睿众邦科技有限公司总经理闫方亮博士、北京天科合达半导体股份有限公司副总经理刘春俊研究员、国宏中宇科技发展有限公司副总经理赵子强、北京世纪金光半导体有限公司技术主任何丽娟、北京三平泰克科技有限责任公司郑红军高工等宽禁带联盟标准化委员会委员参加了本次会议。会上，各牵头起草单位代表就标准送审稿或草案的编制情况进行了详细汇报，与会专家针对标准技术内容、专业术语、技术细节、标准格式、标准规范等内容等方面进行了深入的讨论，并提出了很多宝贵意见，最后经联盟标准化委员会与会委员表决，形成如下决议：1. 通过《碳化硅单晶片X射线双晶摇摆曲线半高宽测试方法》（牵头单位：国宏中宇科技发展有限公司）一项送审稿审定；2. 通过《碳化硅外延层载流子浓度测试方法-非接触电容-电压法》、《碳化硅栅氧的界面态测试方法—电容-电压测试法》（牵头单位：芜湖启迪半导体有限公司），《金刚石单晶片X射线双晶摇摆曲线半高宽测试方法》、《金刚石单晶位错密度的测试方法》（牵头单位：中国科学院半导体研究所）四项草案初审。同时标准化专家组建议各标准工作组要根据专家审查意见对各项标准进一步修改完善，尽快形成报批稿或征求意见稿，报送至联盟秘书处。联盟将按照标准制定工作计划进度要求，有条不紊地推动标准工作。宽禁带联盟一直以来都高度重视团体标准工作的发展，有责任和义务不断提升标准化水平，为引领行业技术发展提供重要支撑。同时，联盟也将积极探索推进与国标委的互动，协同推动优秀的团体标准上升为行业标准、国家标准，不断提升国家标准的水平。