Små samlinger til rekonfigurerbare mikrostrukturer

Leiden-fysikere udnytter selvsamling af små partikler til en dag at skabe funktionelle strukturer som mikrorobotter fra bunden og op. Nu tog de et vigtigt skridt fremad ved eksperimentelt at realisere samlinger på mikrometerskalaen. Undersøgelsen er publiceret i Nanoskala tidsskrift.

Robotter i mikrometerstørrelse har et stort potentiale inden for f.eks. medicin, da de kan afgive lægemidler lokalt eller udføre nøjagtig kirurgi. Forskere leder derfor efter måder at udvikle robotter i denne miniatureskala. Imidlertid, ved fremstilling af stadigt mindre versioner af funktionelle enheder, man støder hurtigt på begrænsninger. Derfor, Leiden-fysikeren Daniela Kraft arbejder den anden vej rundt:bottom-up i stedet for top-down. Hun bruger partikler på omkring en mikrometer - såkaldte kolloider - som dele. På grund af deres lille størrelse, kolloider har den yderligere fordel, at de konstant bevæger sig i tilfældige retninger, som gør det muligt for strukturerne at bygge sig selv.

Led

Selvom det allerede er udfordrende at skabe de forskellige dele - såsom kuber, trekanter, og håndvægte – og kombiner dem på den ønskede måde, de resulterende genstande er normalt stive. Hvis du drømmer om at skabe en fuldt funktionel mikrorobot, du har også brug for dele, der tillader bevægelse:led. Nu for første gang, Kraft og hendes forskergruppe har formået at lave tre forskellige typer samlinger i mikroskala:hængsler, skydere og kugleled. De offentliggør deres resultater i Nanoscale.

DNA

For at give deres led den nødvendige mobilitet, forskerne forbinder kolloiderne gennem DNA-linkere. I stedet for at fastgøre linkerene til et fast sted på kolloidet, de bevæger sig frit hen over overfladen. Kraft holder tætheden relativt lav på omkring tusinde DNA-linkere pr. kvadratmikrometer på den kolloide overflade. Det er tilstrækkeligt til at indbygge den fælles funktionalitet, samtidig med at de ikke er for mange til at anholde systemet.

Grader af frihed

I den makroskopiske verden, led skaber ikke kun en mobil forbindelse, de giver også funktionalitet ved at begrænse bevægelsen til bestemte retninger. Et dørhængsel, for eksempel, tillader kun døren at dreje i én retning. For at give sådanne specifikke grader af frihed og dermed funktionalitet til deres mikroskopiske led, fysikerne udnyttede det faktum, at kolloider hæfter sig stærkest ved maksimal kontakt. En kugle forbundet med en kubisk partikel kan kun glide langs siden, fordi kontaktområdet bliver mindre, hvis det drejer om hjørnet; dette gør det til en glidende samling (figur 1b). Kugler forbundet til taljen på en håndvægt kan kun kredse om midten, da de føler maksimal kontakt, hvis de rører ved begge halvdele af håndvægten (Figur 1c). Dette giver en hængselfunktion. For det tredje, sfæriske kolloider kan bruges som kugleled, fordi vedhæftede partikler har frihed til at bevæge sig i alle retninger (figur 1a). Disse tre typer mikroskopiske led forvandler stive kolloide strukturer til fleksible strukturer, der danner grundlaget for fremtidige selvbyggende mikrorobotter.