Mikropumper som en platform til forståelse af kemisk drevne mikromotorer

Udviklingen af ​​selvkørende mikro- og nanomaskiner, der er i stand til at efterligne den menneskelige krops og/eller det naturlige miljøs indviklede indre funktioner, har fanget fantasien hos et stadigt voksende forskningssamfund siden årtusindskiftet. Det er forudset, at disse enheder vil spille en vigtig rolle i nanomedicin og miljøsanering.

En af de største udfordringer, som videnskabsmænd står over for, ligger i søgen efter effektive måder at drive disse maskiner på uden at trække på eksterne kilder. Undersøgelser i løbet af det sidste årti eller deromkring har produceret prøvepartier af motorer, der er i stand til at fange, transportere og levere læs, eller sanse og neutralisere kemiske eller biokemiske forurenende stoffer, blandt mange andre opgaver. Imidlertid, forståelsen af ​​de præcise mekanismer, der forårsager disse handlinger, er begrænset.

Spørgsmålet er, hvordan man studerer de fysisk-kemiske reaktioner og andre fænomener, der opstår i et objekt, der zigzagger overalt gennem et akvatisk medium. Den første mikromotor, der blev konstrueret tilbage i 2004, blev kaldt en "svømmer". Men hvis du holder en svømmer på plads, de samme egenskaber, som ellers ville få det til at bevæge sig gennem væsken, vil få væsken til at bevæge sig igennem det, forvandler den til en pumpe. Observationerne af sådanne "mikropumper" kan derefter ekstrapoleres for at opnå en bedre forståelse af mikromotorer.

Fra dette udgangspunkt, forskere fra ICN2 Force Probe Microscopy and Surface Nanoengineering Group ledet af Dr. Jordi Fraxedas har udviklet et sæt teknikker, der giver en dybere analyse af de nøgleparametre, der påvirker denne adfærd. Med yderligere støtte fra Prof. Dr. David Reguera fra University of Barcelona og Dr. Borja Sepúlveda Martínez fra ICN2 Magnetic Nanostructures Group, de ser på, hvordan det komplekse samspil mellem overfladekemi, kemiske gradienter, og elektriske og flydende felter omsættes til bevægelse, og hvordan den indsamlede viden kan bruges til at tune fremtidige mikromotorers adfærd. Beskrevet i deres papir "Unraveling the Operational Mechanisms of Chemical Propelled Motors with Micropumps, " udgivet i september i Beretninger om kemisk forskning , de rapporterer overfladekemi, zeta-potentiale og overfladeruhed for at være vigtige faktorer ved styring af bevægelsesretningen og -styrken af ​​forskellige typer mikromotorer.

Hovedforfatter Dr. María José Esplandiu forklarer, hvordan disse resultater er vigtige ikke kun for at udnytte det fulde potentiale af mikro- og nanomotorteknologier, men også til at forstå naturen:"Som mange levende organismer, mikromotorer er kendt for at udvise kollektiv adfærd, hvilket betyder, at de arbejder sammen i koordination, sparer energi og udfører opgaver mere effektivt." Gæs flyver i en V-formation, sværm intelligens hos myrer og bier, og celleresponser på infektion eller skade reagerer alle på dette princip, opererer i såkaldte aktive stofsystemer.

Endnu, disse systemer er dårligt forstået ud fra et videnskabeligt perspektiv. Kunstige mikromaskiner kan potentielt kaste lys:"Ved at karakterisere og isolere hvilke parametre, der udmønter sig i, hvilken mekanisk effekt på niveauet af den enkelte mikromotor, vi kan forudsige og kontrollere adfærden af ​​en gruppe mikromotorer og sætte dem på vej til en bestemt kollektiv adfærd. Dette kan give indsigt i disse processer i levende organismer."

I deres papir, holdet tager en kombineret eksperimentel og teoretisk tilgang til analyse af to typer pumper – bimetalliske, og metal og halvledende - præsenterer utvetydige data om de operationelle mekanismer af disse kemisk drevne motorer.