Forskere skaber mikroskopiske svømmere styret af et magnetfelt

Forskere fra Rice University har opdaget, hvad der kan være den enkleste form for bevægelse under rejser af mikronskala partikler forbundet og drevet af et magnetfelt.

I Rice lab af kemisk og biomolekylær ingeniør Sibani Lisa Biswal, forskere placerede magnetiserede kugler i forskellige størrelser i en løsning. Når det udsættes for et "excentrisk magnetfelt, "kuglerne selvsamlede og de mindre kugler, fastgjort med virtuelle hængsler, sporet ru baner til den ene side af deres større partnere.

I det væsentlige, de små perler replikerede bevægelsen af ​​en enarmet svømmer, der lavede brystet. Forskerne fandt ud af, at de kunne manipulere magnetfeltet for at lede svømmere gennem væsken på næsten en mikron i minuttet. Evnen kan i sidste ende gøre dem egnede som køretøjer til levering af lægemidler.

Fænomenet er genstand for et papir i Royal Society of Chemistry journal Soft Matter .

"Der har i den seneste tid været stor interesse for aktivt stof og systemer, der viser kollektiv adfærd, "Sagde Biswal." Vi er vant til at se dette i, hvordan fugle flokkes eller bakterier sværmer, men nu kan vi se det i syntetiske materialer, der også viser en evne til at parre med hinanden.

"Magnetfelter er opstået som en måde at kunne drive partikler til at gøre nogle interessante ting, " hun sagde.

Risalumnus og hovedforfatter Di (Daniel) Du opdagede svømmerne, mens de studerede, hvordan paramagnetiske kolloide partikler reagerer på et roterende magnetfelt, genstand for flere nylige papirer fra Biswal -laboratoriet.

"En dag indså jeg, at nogle af dem svømmede, "Du sagde." Jeg var meget interesseret i dette, så jeg undersøgte dette specifikke bevægelsesfænomen under et lavt Reynolds -tal. "Et Reynolds -tal kvantificerer, hvordan objekter bevæger sig i væsker i forhold til deres viskositet, han sagde. "Så hvis du ser svømning, det betyder, at der sker noget.

"Vi opdagede, at under nogle omstændigheder, især under et excentrisk magnetfelt, disse partikler samler sig selv til en svømmer, og det bliver motiv, "Sagde Du.

Excentrisk betyder, at omdrejningspunktet for det roterende magnetfelt ikke er midten af ​​et kolloid, men bevæger sig omkring dets omkreds. I deres eksperimenter, forskerne fandt ud af, at de kunne kontrollere den lille partikels kredsløb ved at ændre strømforsyningen til fire computerstyrede elektromagneter, der omgiver løsningen.

Partiklerne er kun knyttet til magnetfeltet, giver den mindste frihed til at bevæge sig i en svømmelignende bevægelse med et langt køreslag og et kort returslag. Forskerne kaldte det et brystsvøm, fordi, som for menneskelige svømmere, slaget kræver ikke, at det bryder opløsningens overflade.

For at blive ved med temaet, Du kaldte de store partikler "torsoer" og de små "arme". Svømmernes evne til at bevæge sig tillod ham at hævde, at de var endnu enklere end de "enkleste mulige svømmere" designet af nobelpristageren Edward Purcell. Purcell designet teoretiske enheder af tre stive stænger forbundet med to hængsler, hvert hængsel repræsenterer en grad af frihed, og betragtede dem som den enkleste konfiguration for en enhed, der kunne svømme ", hvis du flytter hængslerne på en bestemt måde, "Sagde Du.

"Men vores er faktisk enklere, " han sagde, "da jeg reducerede antallet af stive komponenter fra Purcells prototype."

Du sagde, at eksperimenter og simuleringer viste, at svømmere med flere torsoer og arme kunne kontrolleres, selvom deres hastighed varierede afhængigt af feltets styrke og - i simuleringerne - af brunisk bevægelse, den allestedsnærværende, tilfældigt skub og træk af molekyler i gasser og væsker.

I test med svømmer med flere partikler, Du sagde, nogle arme ville drive lidt længere fra torso end andre. Fordi denne "armfragmentering" påvirkede svømmerens hastighed, det hjalp Du med at ryste teorier om, hvordan partikler reagerer på brunisk bevægelse.

"Først når der er brunisk bevægelse, ser vi denne fragmentering, "sagde han." Med brunisk bevægelse matcher vores simuleringer eksperimentelle resultater; nogle gange driver fragmentering svømmerne til at svømme langsommere, og nogle gange hurtigere. Uden brunisk bevægelse, der er en kæmpe forskel. "

Tidligere undersøgelser om "kammuslingssætningen" viste, at brunsk bevægelse kan påvirke tingenes bevægelse med frem- og tilbagegående bevægelse, som en kammusling, der simpelthen åbner og lukker uden at drive sig selv, men stadig bevæger sig tilfældigt. Armene i Du's svømmere bevæger sig på en ikke -gensidig måde - køreslaget er længere end returslaget - men han viste, at deres hastighed også er påvirket af brunisk bevægelse.

Du sagde, at det vil være muligt at knytte ligander eller proteiner til de store partikler til levering til celler eller andre biologiske steder, og hele køretøjet kunne flyttes med to magnetiske spoler i 90 graders vinkler.

"På den måde, svømmere kunne tjene som mikro-robotter, " han sagde.