Hurtige nanorobotter kunne en dag rense jord og vand, levere stoffer

University of Colorado Boulder forskere har opdaget, at meget lille, selvkørende partikler kaldet "nanosvømmere" kan undslippe fra labyrinter så meget som 20 gange hurtigere end andre passive partikler, baner vejen for deres brug i alt fra industriel oprydning til medicinudlevering.

Fundene, offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriv, hvordan disse bittesmå syntetiske nanorobotter er utrolig effektive til at undslippe hulrum i labyrintlignende miljøer. Disse nanosvømmere kunne en dag bruges til at afhjælpe forurenet jord, forbedre vandfiltreringen eller endda levere medicin til målrettede områder af kroppen, som i tætte væv.

"Dette er opdagelsen af ​​et helt nyt fænomen, der peger på en bred potentiel række af anvendelser, " sagde Daniel Schwartz, senior forfatter af papiret og Glenn L. Murphy begavet professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab.

Disse nanosvømmere kom til det teoretiske fysiksamfunds opmærksomhed for omkring 20 år siden, og folk forestillede sig et væld af applikationer fra den virkelige verden, ifølge Schwartz. Men desværre er disse håndgribelige applikationer endnu ikke blevet realiseret, dels fordi det har været ret svært at observere og modellere deres bevægelser i relevante miljøer – indtil nu.

Disse nanosvømmere, også kaldet Janus-partikler (opkaldt efter en romersk tohovedet gud), er små sfæriske partikler sammensat af polymer eller silica, konstrueret med forskellige kemiske egenskaber på hver side af kuglen. En halvkugle fremmer kemiske reaktioner, men ikke den anden. Dette skaber et kemisk felt, som gør det muligt for partiklen at tage energi fra miljøet og omdanne den til retningsbestemt bevægelse - også kendt som selvfremdrift.

"I biologi og levende organismer, cellefremdrift er den dominerende mekanisme, der får bevægelse til at forekomme, og stadigvæk, i konstruerede applikationer, det er sjældent brugt. Vores arbejde tyder på, at der er meget, vi kan gøre med selvfremdrift, " sagde Schwartz.

I modsætning, passive partikler, der bevæger sig tilfældigt (en slags bevægelse kendt som Brownsk bevægelse) er kendt som Brownske partikler. De er opkaldt efter 1800-tallets videnskabsmand Robert Brown, der studerede sådanne ting som den tilfældige bevægelse af pollenkorn suspenderet i vand.

Forskerne konverterede disse passive Brownske partikler til Janus-partikler (nanosvømmere) til denne forskning. Så fik de disse selvkørende nanosvømmere til at prøve at bevæge sig gennem en labyrint lavet af et porøst medium, og sammenlignede, hvor effektivt og effektivt de fandt flugtveje sammenlignet med de passive brownske partikler.

Resultaterne var chokerende, selv til forskerne.

Janus-partiklerne var utroligt effektive til at undslippe hulrum i labyrinten - så meget som 20 gange hurtigere end de Brownske partikler - fordi de bevægede sig strategisk langs hulrumsvæggene og søgte efter huller, hvilket gjorde det muligt for dem at finde udgangene meget hurtigt. Deres selvfremdrift så også ud til at give dem et boost af energi, der skal til for at passere gennem udgangshullerne i labyrinten.

"Vi ved, at vi har mange applikationer til nanorobotter, især i meget begrænsede miljøer, men vi vidste ikke rigtig, hvordan de bevæger sig, og hvad fordelene er sammenlignet med traditionelle Brownske partikler. Derfor startede vi en sammenligning mellem disse to, " sagde Haichao Wu, hovedforfatter af papiret og kandidatstuderende i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab. "Og vi fandt ud af, at nanosvømmere er i stand til at bruge en helt anden måde at søge rundt i disse labyrintmiljøer på."

Selvom disse partikler er utroligt små, omkring 250 nanometer - bare bredere end et menneskehår (160 nanometer), men stadig meget, meget mindre end hovedet på en stift (1-2 millimeter) - arbejdet er skalerbart. Det betyder, at disse partikler kunne navigere og gennemtrænge rum så mikroskopiske som menneskeligt væv for at transportere last og levere lægemidler, samt gennem jord under jorden eller sandstrande for at fjerne uønskede forurenende stoffer.

Sværmende nanosvømmere

Det næste trin i denne forskningslinje er at forstå, hvordan nanosvømmere opfører sig i grupper i afgrænsede miljøer, eller i kombination med passive partikler.

"I åbne miljøer, Nanosvømmere er kendt for at udvise emergent adfærd - adfærd, der er mere end summen af ​​dens dele - der efterligner den sværmende bevægelse af fugleflokke eller fiskestimer. Det har været meget af drivkraften til at studere dem, " sagde Schwartz.

En af de vigtigste hindringer for at nå dette mål er vanskeligheden ved at være i stand til at observere og forstå 3D-bevægelsen af ​​disse små partikler dybt inde i et materiale, der omfatter komplekse indbyrdes forbundne rum.

Wu overvandt denne forhindring ved at bruge brydningsindeksvæske i det porøse medium, som er væske, der påvirker hvor hurtigt lyset bevæger sig gennem et materiale. Dette gjorde labyrinten i det væsentlige usynlig, samtidig med at det tillader observation af 3D-partikelbevægelse ved hjælp af en teknik kendt som dobbelthelix-punktspredningsfunktionsmikroskopi.

Dette gjorde det muligt for Wu at spore tredimensionelle baner for partiklerne og skabe visuelle repræsentationer, et stort fremskridt fra typisk 2D-modellering af nanopartikler. Uden dette fremskridt, det ville ikke være muligt bedre at forstå bevægelsen og adfærden hos hverken enkeltpersoner eller grupper af nanosvømmere.

"Dette papir er det første skridt:Det giver et modelsystem og billedplatformen, der gør os i stand til at besvare disse spørgsmål, " sagde Wu. "Det næste skridt er at bruge denne model med en større population af nanosvømmere, at studere, hvordan de er i stand til at interagere med hinanden i et begrænset miljø."