Ny metode bruger ultraviolet lys til at kontrollere væskestrømmen og organisere partikler

En ny, enkel, og en billig metode, der bruger ultraviolet lys til at kontrollere partikelbevægelser og samling i væsker, kunne forbedre lægemiddellevering, kemiske sensorer, og væskepumper. Metoden tilskynder til partikler - fra plastikmikroperler, til bakteriesporer, til forurenende stoffer - at samle og organisere på et bestemt sted i en væske og, hvis ønsket, at flytte til nye steder. Et papir, der beskriver den nye metode, vises i journalen Angewandte Chemie .

"Mange applikationer relateret til sensorer, medicin levering, og nanoteknologi kræver præcis kontrol af væskestrømmen, " sagde Ayusman Sen, Distinguished professor i kemi ved Penn State og senior forfatter af papiret. "Forskere har udviklet en række strategier for at gøre det, inklusive nanomotorer og væskepumper, men forud for denne undersøgelse havde vi ikke en nem måde at samle partikler på et bestemt sted, så de kan udføre en nyttig funktion og derefter flytte dem til et nyt sted, så de kan udføre funktionen igen.

"Sig for eksempel, at du vil bygge en sensor til at detektere partikler af et forurenende stof, eller bakteriesporer i en vandprøve, " sagde Sen. "Med denne nye metode, vi kan blot tilføje nanopartikler af guld eller titaniumdioxid og skinne et lys for at tilskynde de forurenende partikler eller sporer til at samle sig. Ved at koncentrere dem ét sted, de bliver nemmere at opdage. Og fordi lys er så let at manipulere, vi har en høj grad af kontrol."

Ligesom forurenende partikler kunne samles på et bestemt sted, metoden kunne bruges til at samle silica- eller polymerperler, der bærer en nyttelast, som antistoffer eller lægemidler, på bestemte steder i en væske.

Den nye metode involverer først at tilføje en lille mængde titaniumdioxid eller guldnanopartikler til en væske, som vand, der også indeholder større partikler af interesse, som forurenende stoffer eller perler, der bærer en nyttelast. Ved at skinne et lys på et bestemt punkt i væsken opvarmes de små metal nanopartikler, og varmen overføres derefter til væsken. Den varmere væske stiger derefter ved lyspunktet - ligesom varm luft stiger op i et køligt rum - og køligere vand strømmer ind for at fylde det rum, som det varme vand lige har efterladt, at bringe de større partikler med sig.

"Dette får de større partikler til at samle sig ved punktet for UV-lys, hvor de danner tæt pakket, velorganiserede strukturer kaldet kolloide krystaller, " sagde Benjamin Tansi, kandidatstuderende i kemi ved Penn State og første forfatter af papiret. "Ændring af intensiteten af ​​lyset eller mængden af ​​titaniumdioxid eller guldpartikler ændrer, hvor hurtigt denne proces sker."

Når lyset er fjernet, de større partikler diffunderer tilfældigt gennem væsken. Men hvis lyset i stedet flyttes, de større partikler bevæger sig mod det nye lyspunkt, for det meste vedligeholder deres struktur, mens de bevæger sig. Denne dynamiske samling, adskillelse, og bevægelse af organiserede partikler kan have vigtige konsekvenser for sansning og medicinafgivelse.

"Denne proces er mest effektiv, når guldnanopartikler bruges, men vi ønskede at finde et alternativ, der var billigere og mere tilgængeligt, " sagde Tansi. "Vi var glade for at opdage, at denne metode også virker med titaniumdioxid, en billig og harmløs nanopartikel, der bruges i kosmetik og som fødevaretilsætning."

Ud over vand, forskerne demonstrerede effektiviteten af ​​denne metode i hexadecan, en organisk væske.

"Partikler samles normalt ikke særlig godt i salte eller ikke-vandige miljøer, fordi alt klæber sammen, " sagde Sen. "Men her viser vi, at partikler kan samles ved hjælp af denne metode i hexadecan, hvilket antyder, at vi muligvis kan anvende denne teknik i, for eksempel, biologiske væsker. Så vidt vi ved, er dette den første demonstration af lysdrevet væskepumpning i et organisk medium."

Medlemmer af forskerholdet ved University of Pittsburgh ledet af Anna Balazs brugte matematiske modeller til at beskrive systemets dynamik. Ud over at beskrive hvordan partikler bevæger sig i systemet, modellerne bekræfter, at kun en mindre ændring i temperaturen - mindre end en grad Celsius - fra det ultraviolette lys er nødvendig for at inducere væskestrømmen.

Forskerholdet tester i øjeblikket grænserne for denne metode, for eksempel hvis partikler kan bevæge sig op ad bakke mod lyskilden, eller hvis metoden kan bruges til at sortere partikler efter størrelse.

"Vi vidste, at opvarmning af guldnanopartikler i suspension kunne skabe en væskestrøm, " sagde Tansi, "men før denne undersøgelse havde ingen undersøgt, om denne slags termisk drevne væskestrømme kunne bruges til at gøre noget nyttigt. Fordi ultraviolet lys og titaniumdioxid er så lette at kontrollere, vi tror, ​​at denne metode kan udnyttes i forskellige teknologier i fremtiden. For eksempel, en væskepumpe, der er afhængig af denne metode, kunne potentielt erstatte de omfangsrige og dyrere traditionelle pumper, der kræver en strømkilde, eller som er afhængige af magnetik eller mekanisk bevægelse for at fungere."