En første i laboratoriet:Et lillebitte netværk af mikropartikler, der er både stærkt og fleksibelt

Det er lykkedes Daniela Krafts gruppe at skabe et netværk af mikropartikler, der er både stærkt og fuldstændig fleksibelt. Det lyder måske simpelt, men alligevel er de de første i verden, der har succes med at gøre det. Præstationen repræsenterer et reelt gennembrud inden for blødt stofs fysik. Undersøgelsen er offentliggjort i Physical Review Letters .

Ph.D. kandidat Julio Melio studerer mikroskopiske, fleksible netværk, og det er ikke nogen let opgave. I naturen findes sådanne mikronetværk i geler, polymerer eller cytoskelettet af cellerne i din krop. "Disse materialer er bøjelige takket være såkaldte bløde tilstande, fleksible tilstande," forklarer Melio.

"Vi ved ikke rigtig, hvordan temperaturen påvirker disse tilstande. Det er for kompliceret at studere dette i biologiske systemer, så vi lavede et netværk af mikroskopiske kugler, kolloider, i laboratoriet. Det enkleste system er et kvadratisk gitter. Det kan deformeres til en diamantlignende form, for eksempel."

En smart teknik til fleksible forbindelser

Forskeren køber silicakolloider og giver dem en belægning af lipider. Så laver han et DNA-link til at forbinde sfærerne. "Vi bruger to typer DNA-strenge, der kan hæfte sig til hinanden og placere dem på kolloider. Disse kan så binde til hinanden, men ikke til et andet kolloid af samme art. Det særlige ved disse DNA-koblinger er, at de forbundne partikler kan bevæge sig i forhold til hinanden. Så netværket er fleksibelt."

Dernæst begynder det svære arbejde med at få perlerne ind i den ønskede struktur. Det er noget af en udfordring, forklarer Melio. "Man samler et kolloid op med en såkaldt optisk pincet, en laser, og sætter det i kontakt med et andet. Sådan bygger man gitteret et efter et." Systemet er dog ekstremt følsomt, så med den mindste ændring i omstændighederne får du kvalitativt dårlige kugler, der hænger sammen. "Og så mister systemet sin fleksibilitet," siger Melio.

Første gang tog det ph.d. kandidat næsten trekvart år til at lave et perfekt firkantet gitter på fem gange fem kolloider. "Nu kan jeg heldigvis gøre det meget hurtigere," siger han. Dette gør Krafts gruppe til den første i verden til at bygge en stor mikrostruktur på en så kontrolleret måde uden at miste fleksibilitet.

Potentielle applikationer:Metamaterialer og mikrorobotter

Forskerne har allerede fået ny indsigt, der hjælper til bedre at forstå de bløde tilstande i mikronet. Jo større gitteret er, jo mere sandsynligt er det, at det er i kvadratisk tilstand i stedet for diamant. Større strukturer skærer også bedre:de deformeres lettere under forskydningskraft end mindre varianter.

Dette er interessant til at udvikle nye metamaterialer, hvor egenskaberne afhænger af strukturen. For eksempel hvordan den reagerer på tryk, eller hvordan den kan foldes sammen. Men Melio håber især, at han kan finde en måde at fjernstyre deformationen af ​​mikronettet på.

"Så ville man faktisk have grundlaget for en mikrorobot. Disse bruges f.eks. i biomedicinske applikationer, som operationer. Jeg er selvfølgelig ikke så langt endnu. Jeg eksperimenterer nu med at gøre kolloiderne magnetiske for at se, om de kan styres udefra på denne måde. Det ville være rigtig rart, hvis jeg kunne nå det, før jeg er færdig med min ph.d., siger Melio.

Flere oplysninger: Julio Melio et al., Soft and Stiff Normal Modes in Floppy Colloidal Square Lattices, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.078202

Leveret af Leiden University