Mikrosvømmere svømmer hurtigere over glatte overflader

Små selvkørende kugler, måler kun mikrometer, bevæge sig hurtigere over en hydrofob silikoneoverflade, end de gør over hydrofilt glas. "Næsten ingen havde indset, at substratet betyder noget, " siger Stefania Ketzetzi, forskeren, der opdagede effekten, undersøgte det og forklarede det. Hun udgiver om det i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve .

"Dette var en tilfældig opdagelse, " siger Ketzetzi, en videnskabsmand i Daniela Kraft-gruppen, der forsker i mikrosvømmere. Det er små kolloide kugler, der kun måler mikrometer. Den ene halvdel af kuglen er dækket af et tyndt lag platin.

Små raketter

Når disse partikler er suspenderet i en hydrogenperoxidopløsning, platin fungerer som en katalysator. Det fremmer den kemiske reaktion af hydrogenperoxid til vand og ilt. Dannelsen af ​​reaktionsprodukter på den ene side af partiklen skaber en væskestrøm, der driver partiklen frem som en lille raket. På grund af deres selvfremdrift, de kaldes 'aktive' partikler. En dag, de kan anvendes som motordele til mikrorobotter.

"Jeg faldt over substrateffekten, mens jeg arbejdede på et projekt, hvor jeg skulle bruge polymerbelagte glas som substrater, " siger Ketzetzi om udgivelsen i Fysiske anmeldelsesbreve . "De substrater var meget hydrofile. Jeg bemærkede, at de samme svømmere bevægede sig meget langsommere. Hvorfor?" Sammen med gruppeleder Kraft, hun besluttede at undersøge.

Silikoner

Forskerne undersøgte systematisk, om de elektriske ladninger af substraterne havde betydning for hastigheden, men dette gav ikke et klart resultat. Ruheden af ​​substraterne gav heller ikke en korrelation. Derefter, de besluttede at teste substrater med varierende hydrofobicitet:den hydrofobe polydimethylsiloxan ('siliconer') versus glas og hydrofil polyethylen. Det viser sig, at underlagets glathed gør en forskel for fremdriftshastighederne:de bittesmå raketter nåede en hastighed på 2,8 mikrometer i sekundet på silikoner, mod 1 mikrometer pr. sekund på de andre underlag.

Et mål for hydrofobicitet er kontaktvinklen, den vinkel, som overfladen af ​​en vanddråbe laver med en fast overflade. På hydrofile underlag, dråberne spredes vidt og kontaktvinklen er lille. På hydrofobe underlag, kontaktvinklen er større, typisk mere end 90 grader. Forskerne fandt, at for lignende kontaktvinkler, hastighederne var også ens, mens en højere kontaktvinkel også betyder højere hastighed.

En forklaring blev fundet med hjælp fra teoretisk fysiker Joost de Graaf fra Utrecht University. Kontaktvinklen for opløsningen på substratet er relateret til substratets glathed. Jo større kontaktvinklen er, jo mere glat underlaget, og så jo lettere for væsken at strømme langs den.

Glathed

"Det viser sig, at glatheden af ​​underlaget gør en forskel for fremdriftshastighederne, " siger Ketzetzi. Fremdriften kommer fra strømme af væske omkring partiklen. Når en partikel bevæger sig over et substrat, en del af disse strømme vil flyde mellem partiklen og overfladen. Dette vil være lettere på glat, hydrofobe overflader.

På den anden side, Ketzetzi siger, flyder over hydrofile overflader, vand føler mere modstand, så fremdriftsstrømmene har sværere ved at bevæge sig mellem partiklen og overfladen. Dette vil hæmme fremdriften af ​​kolloidet, hvilket resulterer i langsommere svømmere over hydrofile overflader.

Det næste skridt, Ketzetzi siger, er at undersøge, hvordan man bruger dette. Man kunne tænke på applikationer som lab-on-a-chip, et miniature kemisk laboratorium, eller medicinafgivelse, hvor lægemidler er målrettet og leveret til bestemte steder i kroppen. Ketzetzi:"I applikationer bliver svømmere nødt til at køre selv i komplekse miljøer med begrænsende vægge og forhindringer. Det er vigtigt at forstå, hvilken effekt disse har på svømmeren. Ved at bruge denne nye viden, vi kan forstå og muligvis kontrollere mikrosvømmernes adfærd."