Kemiske ingeniører replikerer foder, kamp og flugt-reaktioner i katalytiske kemiske reaktioner

Samarbejde og konkurrence er grundlæggende instinkter blandt biologiske arter, fra de enkleste encellede organismer til krybdyr, fisk og primater, såvel som mennesker. Denne dynamiske adfærd - resultatet af millioner af års evolution - er vanskelig at replikere i syntetiske systemer. Imidlertid, kemiske ingeniører ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har genskabt disse reaktioner i et miljø af mikroskopiske partikler, ark, og katalysatorer, effektivt efterligner reaktioner fra fodring, kæmper, og flygter.

Deres forskning, "Samarbejde og færdiggørelse mellem aktive plader til selvkørende partikler, " blev offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Hovedefterforsker er Anna C. Balazs, John A. Swanson Chair og Distinguished Professor of Chemical and Petroleum Engineering ved Swanson School. Hovedforfatter er Abhrajit Laskar, og medforfatter er Oleg E. Shklyaev, begge post-doc associerede.

Som optakt til dette arbejde, Dr. Balazs et al. brugte beregningsmodellering til at designe kemisk aktive ark, der var i stand til at pakke, klap og kryb i et væskefyldt mikrokammer, udnytte potentialet til at skabe fleksible eller "squishy" robotter til flydende miljøer. Til PNAS-artiklen, forskerne designet fluidiske systemer, der former de katalysatorbelagte plader til en form, der ligner en krabbe med fire "kløer, " at skabe rovdyret, der kemisk kan "jage" sit partikelbytte.

"Når vi udvikler fremtidens robotter og smarte enheder, det er vigtigt at forstå grænserne for at efterligne biologiske funktioner i menneskeskabte maskiner. Det er også afgørende at forstå, om kunstige systemer kan samarbejde eller konkurrere om ressourcer, " Dr. Balazs forklarede. "Hvis vi kan kopiere denne indbyrdes afhængighed, vi kan hjælpe med at skabe grundlaget for, at robotter eller andre enheder kan arbejde sammen mod et fælles mål."

For at påvirke denne adfærd, Balazs og hendes medarbejdere brugte katalysatoren på arkene til at omdanne reaktanter til produkter i et mikrokammer. Denne reaktion skaber variationer i den kemiske sammensætning og væskedensitet, som ændrer de todimensionelle ark til 3-D "krabber" og driver både krabberne og partiklerne i væsken. Da krabberne genererer kemiske gradienter i ét område, partiklerne reagerer ved at forsøge at "flygte" fra dette område, danner et stærkt indbyrdes afhængigt system.

Denne indbyrdes afhængighed påvirkede også miljøet, når en anden krabbe blev tilføjet til væsken - når først reaktanten blev introduceret, de to krabber efterlignede samarbejde om at "dele" partikler. Imidlertid, hvis en større krabbe blev introduceret, det ville konkurrere med de mindre former for at fange alle partiklerne for sig selv.

"I nogle tilfælde, den store krabbe kan ikke fange de små partikler, men når vi tilføjer flere krabber ser de ud til at samarbejde som en flok ulve, " Dr. Shklyaev forklarer. "Ligeså, når et endnu større rovdyr kommer ind i mikrokammeret, "sulten" den genererer med et større katalytisk overfladeareal vil dominere adfærden hos de mindre rovdyrark."

Dr. Laskar siger, at det enkle ved dette system er, at den eneste involverede programmering er indførelsen af ​​det kemiske reagens i systemet.

"Når vi tilføjede en reaktant i mikrokammeret, al den biomimetiske adfærd opstod spontant, " sagde han. "Vi kan derefter skræddersy i hvilket omfang partiklerne reagerer på kemiske gradienter, fordi forskellige partikler vil reagere på forskellige måder. Så ændring af egenskaben af ​​selv en type objekt ændrer hele systemets indbyrdes afhængighed."

Ifølge Dr. Balazs, de nye resultater indikerer evnen til at kontrollere aktiviteten i mikrokammeret i rum og tid, hvorved arkene kun kan reagere på forskellige kommandoer ved at ændre de reaktanter, der tilsættes til opløsningen.

"Vores beregninger afslører evnen til at dirigere mikroskopiske objekter til at udføre specifikke funktioner, såsom at transportere celler eller bygge komplekse strukturer, " sagde hun. "Disse designregler har potentialet til at diversificere funktionaliteten af ​​mikrofluidiske enheder, giver dem mulighed for at udføre væsentligt mere komplekse opgaver."