Mikrogear roterer, når de skubbes af små motorer

(Phys.org) – Forskere har designet en ny type mikrogear, der roterer, når mikromotorer sætter sig fast i hjørnerne af gearets tænder. Mikromotorerne bruger den omgivende brintoverilteopløsning som brændstof til at drive sig selv fremad, hvilket igen får mikrogearene til at snurre. I fremtiden, de små tandhjul kunne bruges som byggesten til fremstilling af autonome mikromaskiner.

Forskerne, Claudio Maggi, et al., fra Italien, Tyskland, og Spanien, har offentliggjort et papir om mikrogears i et nyligt nummer af tidsskriftet Lille .

"De moderne værktøjer inden for nanoteknologi kan bruges til at forme stof på mikron og nanoskala med en høj grad af strukturel og morfologisk kontrol, "Maggi, ved universitetet i Rom, fortalte Phys.org . "For nylig er forskere begyndt at undersøge mulige strategier til at 'give liv' til disse strukturer og give dem en eller anden mekanisme til selvfremdrift. Hele indsatsen med at miniaturisere maskiner bliver ubrugelig, imidlertid, hvis der stadig kræves stort og dyrt udstyr til at drive og styre fremdriften på mikronskalaen. Af denne grund, vi arbejder på udvikling af avancerede materialer, samlet benævnt "aktivt stof", ', der kan konvertere en indlejret energikilde til rettet bevægelse."

De aktive stofmaterialer, der anvendes her, er mikromotorer i form af Janus-partikler. Ligesom den to-ansigtede romerske gud, Janus partikler har to flader, eller overflader, som giver dem en asymmetrisk karakter. Her, den ene side af hver 5-µm partikel er belagt med platin, så når partiklerne er nedsænket i en hydrogenperoxidopløsning, de bevæger sig i én retning.

I en opløsning indeholdende både Janus-partikler og passive 8-µm mikrogear, nogle af de selvkørende Janus-partikler kolliderer med mikrogearene. Janus-partiklerne orienterer sig derefter autonomt, så deres fremdriftsretning løber langs siderne af tandhjulene, og deres fremadgående momentum låser dem på plads i gearets tænder. Op til seks Janus-partikler kan sætte sig ind i mikrogears seks tænder.

Denne strategi ligner tidligere metoder til at flytte mikroobjekter, der bruger den kollektive bevægelse af bakterier eller syntetiske mikrosvømmere. Imidlertid, alle disse tidligere metoder har krævet høje koncentrationer af bakterier/mikrosvømmere og bevæget sig på en meget tilfældig måde, gør det svært at kontrollere og gengive bevægelsen.

De største fordele ved den nye metode er, at den virker med lavere partikelkoncentrationer, og bevægelsen er meget deterministisk. Forskerne fandt ud af, at mikrogearets rotationshastighed stiger lineært, efterhånden som antallet af Janus-partikler, der er låst i gearet, stiger fra 1 til 3. Med 4 partikler og derover, hastigheden flader ud og begynder derefter at falde, hvilket er sandsynligt, fordi de yderligere Janus-partikler udtømmer hydrogenperoxidbrændstoffet, så hastigheden af ​​alle partiklerne falder.

"Vi har nu demonstreret, at aktive Janus-kolloider kan samle sig selv omkring en mikrofremstillet rotor i reproducerbare konfigurationer med en høj grad af rumlig og orienterende orden, " sagde medforfatter Roberto Di Leonardo ved det italienske nationale forskningsråd, og forskningsgruppens koordinator. "Samspillet mellem geometri og dynamisk adfærd fører til selvsamling af autonome mikromotorer med udgangspunkt i tilfældigt fordelte partikler. Udover at have en klar teknologisk interesse, vores resultater viser, at forståelsen af ​​grundlæggende aspekter af interaktioner i aktive stofsystemer åbner vejen for meget reproducerbare og kontrollerbare mikromaskiner til lab-on-chip applikationer."

I fremtiden, forskerne planlægger at undersøge, hvordan tuning af koncentrationen af ​​hydrogenperoxid kan bruges til at styre mikromotorernes rotationshastighed. Styring af hastigheden er afgørende for lab-on-chip mikromaskiner og andre applikationer.

Forskningen blev finansieret af to ERC Starting Grants og kombinerer nylige fremskridt inden for katalytisk fremdrift (Grant n. 311529) og statistisk mekanik af aktivt stof (Grant n. 307940).

© 2016 Phys.org