Opto-termoelektriske mikrosvømmere

Konceptuelt design til optisk kørsel og styring af opto-termoelektriske mikrosvømmere. (a) Under lyse felter, PS/Au Janus-partikler er indstillet til at svømme og rotere alternativt for at følge en foruddefineret sti. (b) Ved lysbestråling på en Janus-partikel, en temperaturgradient ∇T, der peger fra PS-siden til Au-siden, genereres på partikeloverfladen på grund af den asymmetriske absorption af PS og Au. (c) Når Janus-partiklen er dispergeret i en 0,2 mM CTAC-opløsning, et termoelektrisk felt induceres til at drive Janus-partiklen langs temperaturgradienten. De hvide "+" symboler angiver den positivt ladede overflade. I b, c, den asymmetriske opvarmning og det termoelektriske felt under en defokuseret laserstråle er vist i X-Z-planet. (d) Skematisk illustration og e-asymmetrisk opvarmning af Janus-partiklen, når den er indstillet til at rotere (som vist med den rødbrune pil) i X-Y-planet af en anden fokuseret laserstråle (angivet af det grønne område omgivet af en stiplet cirkel). I d, e, den ufokuserede laserstråle er slukket. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

I en nylig rapport, Xiaolei Peng og et team af forskere inden for materialevidenskab og teknik ved University of Texas, OS., og Tsinghua University, Kina, udviklede opto-termoelektriske mikrosvømmere bioinspireret af bevægelsesadfærden hos Escherichia coli (E. coli). De konstruerede mikrosvømmerne ved hjælp af dielektriske guld Janus-partikler drevet af et selvopretholdt elektrisk felt, der opstår fra partiklernes optotermiske respons. Da de belyste konstruktionerne med en laserstråle, Janus-partiklerne viste en optisk genereret temperaturgradient langs partikeloverfladerne, danner et opto-termoelektrisk felt til at drive sig selv fremad.

Holdet opdagede mikrosvømmernes svømmeretning baseret på partiklens orientering. De foreslog en ny optomekanisk tilgang til at forstå navigationsretningen for mikrosvømmere, der var afhængig af et temperaturgradient-induceret elektrisk felt, ved hjælp af en fokuseret laserstråle. Ved at tidsindstille den anden rotationslaserstråle i opsætningen, de placerede partiklerne i enhver ønsket orientering for effektivt at kontrollere svømmeretningen. Ved at bruge mørkfelts optisk billeddannelse og en feedback-kontrolalgoritme lettede forskerne automatiseret mikrosvømmerfremdrift. De opto-termoelektriske mikrosvømmere vil have applikationer i kolloide systemer, målrettet medicinafgivelse og biomedicinsk sansning. Forskningen er nu offentliggjort i Nature Light:Videnskab og applikationer .

Mikrosvømmere

Mikrosvømmere er en klasse af mikromaskiner, der kan omdanne eksterne kemikalier, akustisk eller elektromagnetisk energi til svømmebevægelse. Sådanne maskiner kan bruges til forskellige biomedicinske applikationer lige fra målrettet lægemiddellevering til præcision nano-kirurgi og diagnostisk sansning. I dette arbejde, Peng et al. brugte helt optiske mikrosvømmere baseret på Janus-partikler i et optotermisk genereret elektrisk felt til at bygge opto-termoelektriske mikrosvømmere, der efterlignede E. coli-cellers 'løb-og-tumle'-bevægelse. I sin virkningsmekanisme, den asymmetriske lysabsorption af en Janus-partikel under laserstrålebestråling forårsagede en selvgenereret temperaturgradient for et resulterende opto-termoelektrisk felt, der drev partiklen frem. Forskerne kørte processen ved hjælp af to laserstråler, hvor den anden fokuserede laserstråle udløste rotation i planet af individuelle Janus-partikler under optisk opvarmning. Holdet opnåede stabil partikelrotation på grund af den termoelektriske kraft, optisk kraft og trækkraft i opsætningen. Peng et al. yderligere undersøgt arbejdsmekanismerne ved at koble eksperimenter med teori og simuleringer.

En svømmende 2,1 μm PS/Au Janus partikel i 0,2 mM CTAC (cetyltrimethylammoniumchlorid) opløsning. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Koncept og design

For at lette foton-til-fonon (lys til lyd) energiomdannelse, holdet udviklede opto-termoelektriske svømmere ved at halvcoating et tyndt guld (Au) lag på overfladen af polystyren (PS) perler. Ved lys bestråling, absorptionsforskellen mellem PS og Au skabte en temperaturgradient på PS/Au Janus-partikeloverfladen. Peng et al. spredte Janus-partiklerne i en vandopløsning for at omdanne den termiske energi til mekanisk energi. Når det drives af det termoelektriske felt og bestråles af en laserstråle, Janus-partiklerne migrerede langs PS-til-Au-retningen for at demonstrere svømmetilstanden. Imidlertid, termiske udsving kan ændre orienteringen af Janus-partikler, hvilket får dem til at drive væk fra deres kurser under migration. For at fastholde målkursen, forskerne slukkede for den ufokuserede laserstråle og brugte en fokuseret laserstråle til at rotere og fange Janus-partikler med henblik på omorientering. Når de når deres skæbneorienterede orientering, de slukkede den fokuserede laserstråle og vendte Janus-partiklerne tilbage til den ufokuserede laserstråle for at bringe dem tilbage til svømmetilstanden. Denne omskiftningsproces i to tilstande gav det bedst mulige design til aktivt at navigere mikrosvømmere for en række funktioner.

Opto-termoelektrisk svømning af PS/Au Janus-partikler under en defokuseret laserstråle. (a) Skematisk illustration af svømmemekanismen. Hastigheden er rettet fra PS-halvkuglen til den Au-coatede halvkugle. (b) Svømmehastighed som funktion af den optiske effekt for 5 µm PS/Au Janus-partikler. En 660 nm laserstråle med en strålestørrelse på 31 µm blev påført for at drive svømningen. (c) Tidsopløste billeder af en svømmende 2,1 µm PS/Au-partikel. En 1064 nm laserstråle med en strålestørrelse på 31 µm og en effekt på 32 mW blev anvendt til at drive svømningen. (d) Svømmehastighed som funktion af den optiske effekt for 2,1 µm PS/Au Janus-partikler. To forskellige laserstråler, dvs. en 1064 nm laserstråle med en strålestørrelse på 45 µm og en 660 nm laserstråle med en strålestørrelse på 45 µm, blev anvendt til at drive svømningen. Indsætningerne af b, d viser en PS/Au Janus-partikel drevet til at svømme under en defokuseret laserstråle. Alle de førnævnte strålestørrelser blev opnået ved eksperimentel måling. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Opto-termoelektrisk svømning og orienteringskontrol

Når Peng et al. brugte en defokuseret laserstråle til rettet bevægelse af opto-termoelektriske mikrosvømmere, de opnåede en "energipulje" for Janus-partiklerne. De kaldte bevægelsen langs den selvgenererede temperaturgradient som selvtermoforese. I den omgivende opløsning af cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC), selvtermoforese opstod fra termoelektriske effekter for at muliggøre den karakteristiske bevægelse af partiklerne. Holdet kunne reducere kammertykkelsen af den eksperimentelle opsætning for at stabilisere væskestrømmen og lette den retningsbestemte transport af Janus-partikler. Da orienteringen af Janus-partikler kunne ændres tilfældigt gennem termiske udsving, holdet brugte en anden fokuseret laserstråle til at opnå partikelrotation for effektivt at navigere i svømmeretningen. De opnåede dette ved at skifte laserstråler for at kvantitativt analysere den roterende Janus-partikel og udtrække deres position i realtid, samt orienteringsdata.

Når lasereffekten steg, partikelrotationen steg også, selvom fortsat stigning i lasereffekt forårsagede stærke opvarmningseffekter og termisk skade på Janus-partiklen. Rotationshastigheden var afhængig af partikelstørrelsen. For at forstå den termoelektriske kraft, Peng et al. simulerede temperaturfordelingen på overfladerne af PS/Au Janus-partikler. Derefter beregnede de den termoelektriske kraft og optiske kraft for at forstå rotationsdynamikken. Holdet gennemførte yderligere undersøgelser for at forstå Janus-partiklens selvjusteringsadfærd.

Orienteringskontrol af PS/Au Janus-partikler med en fokuseret laserstråle. (a) Konfiguration og (b) tilsvarende mørkfeltsbillede af en fri 2,7 µm PS/Au Janus-partikel i X-Z-planet. (c) Konfiguration og (d) tilsvarende mørkfeltsbillede af en roterende 2,7 µm PS/Au Janus-partikel i X-Z-planet. (e) Tidsopløste mørkefeltsbilleder af rotationen af en 2,7 µm PS/Au Janus-partikel. Den halvcyan, halvgyldne partikler i indsatserne illustrerer de tilsvarende konfigurationer, mens de rødbrune pile i indsætningerne illustrerer orienteringerne. Den grønne plet i indsatserne repræsenterer laserstrålen (med en bølgelængde på 532 nm). (f) Forskydning af midten af 2,7 µm Janus-partiklen som funktion af tiden. Strålens centrum er indstillet som udgangspunktet for koordinaterne. De passende sinusformede kurver indikerer en cirkulær rotation. (g) Orienteringsudvikling af 2,7 µm Janus-partiklen som en funktion af tiden. Den passende savtandsbølge indikerer en konsekvent styring af orienteringen. (h) Rotationshastighed som funktion af den optiske effekt for 2,7 µm PS/Au Janus-partikler. I a–d, for en gratis Janus partikel, ingen grænse ved partikelhalvkuglen blev observeret i det mørkefelts optiske billede, fordi den Au-coatede del havde en tendens til at flugte med tyngdekraftens retning. I modsætning, da rotation i planet af Janus-partiklen blev påbegyndt, PS-Au-grænsefladen blev vinkelret på substratet på grund af den koordinerede effekt af den termoelektriske kraft og den optiske kraft. En asymmetrisk ring blev observeret i det mørkefelts optiske billede, med den lysere halvring svarende til Au-belægningen på grund af dens stærkere optiske spredning. Indsatsen illustrerer rotationen under en grøn laserstråle (med en bølgelængde på 532 nm). Laserstrålestørrelsen på prøveplanet er 2,65 µm for f. h. En effekt på 1,9 mW blev anvendt til rotation i (e) Orienteringskontrol af PS/Au Janus-partikler med en fokuseret laserstråle. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Feedbackkontrolmetode

Holdet etablerede derefter en feedback-algoritme for at lette aktiv navigation og styre svømmeretningen for Janus-partikler. For at opnå lukket sløjfe kontrol, de udviklede et computerprogram til at spore positionen og orienteringen i realtid af en given Janus-partikel og koordinerede automatisk kontrolsystemet. I forsøgsopstillingen, to computerstyrede skodder dikterede tænd/sluk-tilstandene for to individuelle laserstråler. Forskerne kørte med succes den retningsbestemte svømning af Janus-partikler, hvor en stigning i rotationshastigheden reducerede kontrolnøjagtigheden af svømmeretningen. For at gøre rede for dette, Peng et al. brugte et højere billedhastighed opladet-koblet enhed (CCD) kamera til betydeligt at forbedre nøjagtigheden af feedback kontrol. De demonstrerede derefter aktiv navigation af PS/Au Janus-partiklerne ved hjælp af feedback-kontrolalgoritmen til målrettet transport af opto-termoelektriske svømmere. Arbejdet pegede på potentialet for opto-termoelektriske mikrosvømmere til at bære lægemiddelmolekyler og ikke-metalliske dele til præcis levering med potentielle anvendelser i målrettet nano/mikrolægemiddellevering.

Retningsbestemt svømning og målrettet transport af PS/Au Janus-partikler med en feedbackkontrolmetode. (a) Skematisk illustration af retningsbestemt svømning med feedbackkontrol på de eksperimentelt optagne billeder, hvor en fokuseret grøn laserstråle og en defokuseret rød laserstråle blev brugt til at navigere og køre svømningen, henholdsvis. (b) Flowdiagram over feedbackkontrolmetoden. (c) Optisk opsætning og mekanisk layout for feedbackkontrolmetoden. (d) Baner af 5 µm PS/Au Janus-partikler, der svømmer i forskellige retninger. (e) Målrettet levering af en 5 µm PS/Au Janus-partikel til en 10 µm PS-partikel. En 5 µm 532 nm laserstråle med en effekt på 2,6 mW blev brugt til at drive rotationen, mens en 660 nm laserstråle med en strålestørrelse på 31 µm og en effekt på 160-200 mW blev anvendt til at drive svømningen. Kredit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

På denne måde Xiaolei Peng og kolleger udviklede opto-termoelektriske mikrosvømmere med helt optisk aktivering og navigation. De opnåede dette ved at udnytte opto-termoelektrisk kobling af Janus-partiklerne. Varmen genereret af de lysbestrålede Janus-partikler skabte et termoelektrisk felt til at drive partiklerne i en bestemt retning uden kemisk brændstof. De brugte en fokuseret laserstråle til at styre orienteringen af mikrosvømmerne og styrede rotationen af Janus-partikler med en anden stråle. Mekanismen kan udforskes yderligere for at udvikle intelligente mikrorobotter til flere opgaver inden for biomedicin.

Sidste artikelKvantelys presser støjen ud af mikroskopisignaler

Næste artikelFloppy atomdynamik hjælper med at omdanne varme til elektricitet