Forskere introducerer en ny måde at efterligne maskine af maskiner

Som en lille lego, der klikker på plads, naturen sammensætter selvstændigt mikroskopiske byggesten. Levende systemer er biokemiske maskiner, der udmærker sig ved at bygge og flytte deres dele. Ligesom maskiner har brug for energi i en eller anden form for at fungere, levende systemer får energi ved at indtage "brændstof" - stoffer eller mad - pålideligt. Den menneskelige krop, for eksempel, trækker muskler sammen ved bevægelse af bittesmå nanomotorer - molekylære enheder, der omdanner energi på nanoskalaen for at generere bevægelse på makroskalaen. Evnen til at efterligne naturens selvsamling ville revolutionere videnskabens tilgang til at syntetisere materialer, der kunne helbrede, kontrakt eller omkonfigurer.

For at udforske denne potentielle mimik, University of California San Diego assisterende professor i fysik Jeremie Palacci og postdoc Antoine Aubret, sammen med professor Stefano Sacanna og hans team ved New York University, introduceret en ny tilgang til at samle specialdesignede mikroskopiske blokke til små gear-lignende maskiner. Deres forskningsresultater er beskrevet i et papir med titlen, "Målrettet samling og synkronisering af selvsnurrende mikrogears, " offentliggjort 23. juli online i Naturfysik .

"Dette er et første vigtigt skridt i, hvad vi kan bygge syntetisk for at efterligne levende systemer, " bemærkede Palacci.

Byggestenene er selvdrevne mikropartikler, der driver frem efter at være blevet aktiveret af lys. Forskerne har specielt designet dem til autonomt at fornemme lysgradienter og navigere i lysmønstre. Dette fører til deres bemærkelsesværdige samling til kun én type maskine - en selvdannende, spinding mikrogear bestående af syv sådanne mikropartikler - en "maskine lavet af maskiner."

Som et blødt fortættet stof, eksperimentel fysiker Palacci sagde, at holdet samlede mikrogearene til mere sofistikerede motiver og større maskiner, synkronisering som mekaniske gear, selvom de ikke er i kontakt.

"Dette er ikke magi, naturligvis, men fysik, " sagde Palacci. "Tandhjulene mærker hinanden og interagerer gennem det brændstof, de forbruger, og den væske, de bevæger sig."

Aubret sagde, at det var spændende at se, hvad der kunne gøres i forhold til selvmontering ved hjælp af to enkle ingredienser:lyssignaler og en veldesignet byggeklods.

"I stedet for at plukke partiklerne en efter en, vi har lige overlejret lysmønstre med vores optiske opsætning, og lad partiklerne og rotorerne gøre arbejdet, " forklarede han. "Selvfølgelig, det har været meget arbejde at nå hertil, men dette er kun begyndelsen på historien. Det åbner nye veje for vores forskning, og vi håber, at vi kan klatre endnu længere op i hierarkiet af selvsamlende processer."

Ifølge Germano Iannacchione, NSF programdirektør, der overvågede Palaccis bevilling, Målet med forskning i blødt stof er ikke kun at forstå de grundlæggende principper, der styrer dette pulserende og mangfoldige videnskabsområde, men også at omsætte disse principper til midler til at kontrollere stof på nye måder.

"Den spændende del af dette arbejde er opdagelsen af, hvordan man kontrollerer og samler små partikler til større, designet strukturer, der derefter kan manipuleres ved hjælp af lys. Denne forskning er et smukt eksempel på at lave en lille protomaskine, som du aldrig rører ved, " sagde Iannacchione.