Aktive partikler med lys-switchbar fremdriftsretning og reversible interaktioner

Forskere fra fakultetet for fysik ved universitetet i Warszawa, ETH i Zürich og University of Cambridge har syntetiseret og analyseret aktive mikropartikler selvkørende i en væske og vendt deres fremdrivningsretning afhængigt af bølgelængden af ​​lysende lys. En forskningsartikel, der opsummerer deres arbejde, er for nylig blevet publiceret i Naturkommunikation .

Aktivt stof omfatter systemer med selvkørende elementer, der trækker energi fra miljøet og omdanner det til kinetisk energi. Dette er i øjeblikket en livlig disciplin i fysik, spænder over mange tids- og længdeskalaer, vedrørende, f.eks., opførsel af fugle i flokke (såsom mumlen fra stære), fiskestimer (som en form for beskyttelse mod rovdyr), og også bakterier i biofilm og andre akvatiske mikrosvømmere. Det fokuserer både på individuelle elementers adfærd og forståelse af deres mekanismer for energiomdannelse, interaktion og kobling med miljøet så vigtigt for overlevelsen, og om de kollektive virkninger og fremkomsten af ​​nye fænomener i store befolkningsgrupper. Begge kan med succes beskrives på forskellige niveauer af præcision, startende fra forenklede minimale grovkornede modeller, og op til raffinerede numeriske simuleringer.

Bakterie, alger, spermatozoer, ciliater og andre encellede organismer er en vigtig gruppe af aktive svømmere. At udforske det fysiske grundlag for deres dynamik er ofte kompliceret af deres enorme mangfoldighed, biologisk kompleksitet, og høj følsomhed over for ydre forhold. Den akvatiske mikroverden er, imidlertid, styret af de universelle love for væskedynamik, som sætter begrænsninger for alle organismer.

På grund af deres små størrelser - mikrometre, typisk - og svømmehastigheder, der ikke overstiger snesevis af kropslængder i sekundet, strømmen omkring dem er domineret af viskøse effekter. Det betyder, at hajers eller olympiske svømmeres svømmestrategier fejler fuldstændigt i mikroskalakonkurrence. Svømning i makroskala er baseret på inerti og at skubbe vandet hurtigt bagud. I mikroskala, inertieffekter er ubetydelige, og vand opfører sig som en meget tyktflydende væske, såsom honning eller gylden sirup. Forestil dig at svømme i en pool fyldt med honning – et kravleslag ville være meget udmattende og meget ineffektivt. Derfor, svømmende mikroorganismer har udtænkt andre strategier til fremdrift baseret på udnyttelse af viskositet. Bakterier har ofte spiralformede flageller, som de bruger til at 'skrue' i væsken som en proptrækker. Det viser sig, at i den tyktflydende mikroverden, denne strategi giver mulighed for effektiv bevægelse. Større organismer, såsom ciliater (og Paramecium blandt dem), har kroppe dækket med tusindvis af flimmerhår, der ligner lille hår. De flytter dem på en koordineret måde, på samme måde som en mexicansk bølge på et stadion. Dette gør det muligt for væsken at blive trukket langs celleoverfladen, og som et resultat, cellen driver i den modsatte retning af ciliary -bølgeudbredelsen.

Forståelse af disse mekanismer har inspireret udviklingen af ​​et nyt felt af syntetiske mikrosvømmere. Visionen om at designe mikrorobotter i laboratorier har begejstret forskere i mange år på grund af de potentielt brede anvendelser inden for diagnostik, medicin og teknologi, såsom målrettet lægemiddellevering inde i patientens krop. Fra dette perspektiv, det er meget vigtigt ikke kun at designe sådanne svømmere, men også for at kontrollere deres bevægelse.

Mekanismen udnyttes også i flercellede organismer, f.eks., cilia i menneskets lunger og forplantningskanalen er afgørende for transporten af ​​slim. Og det har inspireret en række svømmere til at bruge fænomenet diffusioforese. For at forklare det, overvej eksemplet med en Janus-partikel, inspireret af den romerske gud med to ansigter. En typisk erkendelse er en sfærisk mikropartikel med en halvkugle dækket med guld, og den anden dækket med platin. Når den placeres i en opløsning af hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ), platinsiden katalyserer nedbrydningen af ​​peroxidet til vand og oxygen. Resultatet blev, koncentrationen af ​​produkter fra denne reaktion på platinhalvkuglen stiger, og koncentrationsubalancen skaber flow langs overfladen. På samme måde som de svømmende ciliater, bevægelse af væsken langs overfladen forårsager bevægelse af cellen i den modsatte retning. Dermed, systemet omdanner lokalt den kemiske energi i sine omgivelser til sin egen kinetiske energi. Mekanismen er universel, nøgleingrediensen er den uensartede koncentration af reagenserne på overfladen. I øvrigt, de kemiske gradienter kan erstattes af en ubalance i temperatur eller elektrostatisk potentiale. Alle disse mekanismer er blevet eksperimentelt bekræftet i mikroskopiske systemer. Det er værd at bemærke, at de typiske størrelser og svømmehastigheder for disse syntetiske svømmere er sammenlignelige med deres biologiske inspirationer. Dermed, ved at udforske kunstigt aktivt stof, forskere får et yderligere indblik i den svømmende mikroverden.

Mange fremdrivningsmekanismer er blevet foreslået og er tilgængelige for syntetisk aktivt stof. Udfordringen er stadig at kontrollere en svømmers bevægelse, eller programmer den sådan, at den kunne nå et foruddefineret sted og f.eks. levere et lægemiddel til en udvalgt del af kroppen. Alternativt kan det kunne styres af en ekstern stimulus, såsom elektromagnetisk stråling, elektriske eller magnetiske felter, lydbølger, eller inhomogen temperatur.

Et skridt i denne retning præsenteres i det nye papir af forskere fra University of Warszawa, ETH i Zürich, og University of Cambridge, udgivet for nylig i Naturkommunikation . Det demonstrerer roman, modificerede Janus partikler, bevæger sig i en væske under påvirkning af ekstern belysning, med bevægelsesretningen afhængig af bølgelængden af ​​det indfaldende lys. Partiklerne med en diameter på 3,5 mikron blev lavet af anatase - en polymorf af titaniumdioxid - med en halvkugle belagt med guld. Når den er oplyst med grønt synligt lys, partiklerne bevæger sig mod guldhætten, når den udsættes for UV -lys, de vender deres bevægelsesretning. Partiklerne blev syntetiseret af Dr. Hanumantha Rao Vutukuri og Prof. Jan Vermant ved ETH Zürich, hvor alle de eksperimentelle arbejder blev udført.

"Ved at ændre lysets bølgelængde aktiverer vi forskellige katalytiske mekanismer på partikeloverfladerne, hvorved vi hurtigt kan styre bevægelsen på en kontrolleret måde, siger Dr. Maciej Lisicki fra Det Fysiske Fakultet, Universitetet i Warszawa. "I øvrigt, vi ser meget interessant kollektiv dynamik:partiklerne kan tiltrække eller frastøde hinanden, afhængig af deres relative orientering og farven på det oplysende lys. Tuning dette, vi observerer hurtige processer af fusion og fission, som vi kan styre. "

Beskrivelsen af ​​bevægelse i et sådant system kræver overvejelse af både de kemiske interaktioner mellem partikler, selvom deres inhomogene koncentrationsfelter af reagenser skabt på deres overflader, såvel som den hydrodynamiske strøm forårsaget af deres tilstedeværelse. Den teoretiske model, der gør det muligt at beskrive dynamikken i disse nye aktive partikler, blev konstrueret af Dr. Maciej Lisicki (Warszawa) og Prof. Eric Lauga (Cambridge).

"Ved mikrometriske størrelser, vi tænker på væsken omkring partiklerne som værende meget tyktflydende, " siger Maciej Lisicki. "Deres hydrodynamiske interaktioner er således vidtgående. Bevægelsen af ​​hver partikel mærkes af alle andre."

Forskerne, som har arbejdet på anvendelsen af ​​diffusioforese til syntese af kunstige svømmere og mikroskalapumpning i lang tid nu, tror, ​​at denne roman, reversibel og kontrolleret mekanisme til selvfremdrift for Janus-partikler er et skridt mod mere komplekse mikrorobotter, der i sidste ende vil være i stand til at transportere last i cellulær skala. Det kunne også bruges til at kontrollere kollektiv bevægelse i mikroskala ved lokal lys-induceret omrøring i suspensioner af aktive partikler og blandinger af aktive og passive kolloider suspenderet i en væske.