Et nyt værktøj til styring af reaktioner i mikrorobotter og mikroreaktorer

I et nyt blad, Thomas Russell og postdoc Ganhua Xie, ved University of Massachusetts Amherst og Lawrence Berkeley National Laboratory, rapporterer, at de har brugt kapillære kræfter til at udvikle en simpel metode til at fremstille selvsamlende hængende dråber af en vandig polymeropløsning fra overfladen af ​​en anden vandig polymeropløsning i velordnede arrays.

"Disse hængende dråber har potentielle anvendelser i funktionelle mikroreaktorer, mikromotorer og biomimetiske mikrorobotter, " forklarer de. Mikroreaktorer hjælper kemiske reaktioner i ekstremt små - mindre end 1 millimeter - rum, og mikroprober hjælper med at udvikle og fremstille nye lægemidler. Begge tillader forskerne nøje at kontrollere reaktionshastigheden, selektiv diffusion og behandling, for eksempel. Selektiv diffusion refererer til, hvordan cellemembraner bestemmer, hvilke molekyler der skal lukkes ind eller holdes ude.

Russell og kolleger siger, at funktioner i deres nye system kan styres med magnetiske mikropartikler for at opnå dette. De "kontrollerer dråbernes bevægelse, og, på grund af forsamlingernes karakter, kan selektivt transportere kemikalier fra en dråbe til en anden eller bruges som indkapslede reaktionsbeholdere, hvor reaktioner afhænger af den direkte kontakt med luft, " forklarer Russell.

Til dette arbejde, han og Xie samarbejdede med andre fra Hong Kong University, Beijing University of Chemical Technology og Tohoku University, Japan. Detaljer er inde Procedurer fra National Academy of Sciences .

Deres teknik er afhængig af naturlige egenskaber, Russell forklarer, især overfladespænding, fænomenet, der tillader vandrende væsener og menneskeskabte robotter, der efterligner dem, for at undgå at synke. Forskerne bruger det til at binde tungere dråber, som ellers ville synke, til grænseflader. Dette hjælper med at bygge todimensionelle ensembler af strukturelt komplekse dråber, der har sække, hvori målreaktioner kan isoleres.

De gjorde dette, Russell siger, ved at hænge en koacervat-indkapslet dråbe af en tættere vandig dextranopløsning fra overfladen af ​​en anden, polyethylenglycol (PEG) vandig opløsning. I deres tidligere arbejde, Xie, Russell og kolleger brugte de samme to polymere vandige opløsninger, PEG-plus-vand og dextran-plus-vand, som kan kombineres, men ikke blandes. Dette skaber et "klassisk eksempel på coacervation", der danner to separate domæner som ikke-blandende voks-og-vand i en lavalampe, Russell forklarer.

Han siger, at indtil nu, syntetiske systemer i laboratorier har været begrænset til langt færre reaktioner end naturlige systemer i kroppen, som kan udføre mange hurtige og serielle reaktioner. At efterligne naturen tættere har været et stort mål i årevis, tilføjer han.

Det nye arbejde repræsenterer et stort fremskridt, Russell siger, fordi "vi bruger en delikat balance mellem en overfladeenergi og tyngdekraft til at hænge sækkene fra væskens overflade, som nogle insektlarver, og hængesækkene har direkte kontakt med luft gennem åbningen i toppen. Direkte kontakt til luft giver brugeren mulighed for at indføre gasser, som ilt, for en reaktion."

For at forestille sig den nye mekanisme, han forklarer, det hjælper at vide, at polykationer er materialer med mere end én positiv ladning, og polyanioner har mere end én negativ. "Tænk på sækken, indersiden er en polyanion og ydersiden er en polyanion. Det betyder, at anioner kan flyde ud, men ikke kationer og kationer kan strømme ind, men ikke anioner. Denne selektive diffusion giver os mulighed for at udføre reaktioner inde i sækken, der føder en anden reaktion på ydersiden af ​​sækken og omvendt. Så, vi kan producere kaskadereaktionsskemaer, ligner den, der findes inde i din krop eller andre biologiske systemer. "