Akustisk fremdrift af nanomaskiner afhænger af deres orientering

Mikroskopisk bittesmå nanomaskiner, der bevæger sig som ubåde med deres egen fremdrift – for eksempel i menneskekroppen, hvor de transporterer aktive stoffer og frigiver dem ved et mål:Det, der lyder som science fiction, er i løbet af de sidste 20 år blevet en stadig hurtigere voksende forskningsfelt. De fleste af de partikler, der hidtil er udviklet, fungerer dog kun i laboratoriet. Fremdrift er for eksempel en forhindring. Nogle partikler skal tilføres energi i form af lys, andre bruger kemiske fremdrivninger, som frigiver giftige stoffer. Ingen af ​​disse kan komme i betragtning til nogen anvendelse i kroppen. En løsning på problemet kunne være akustisk drevne partikler. Johannes Voß og prof. Raphael Wittkowski fra Institut for Teoretisk Fysik og Center for Soft Nanoscience ved Universitetet i Münster (Tyskland) har nu fundet svar på centrale spørgsmål, som tidligere havde stået i vejen for at anvende akustisk fremdrift. Resultaterne er blevet publiceret i tidsskriftet ACS Nano .

Rejsende ultralydsbølger er velegnede til fremdrift 

Ultralyd bruges i akustisk drevne nanomaskiner, da det er ret sikkert til applikationer i kroppen. Hovedforfatter Johannes Voß opsummerer forskningen indtil videre således:"Der er mange publikationer, der beskriver eksperimenter. Men partiklerne i disse eksperimenter blev næsten altid udsat for en stående ultralydsbølge. Det gør ganske vist forsøgene betydeligt enklere, men samtidig gør det resultaterne mindre meningsfulde med hensyn til mulige anvendelser - for i så fald ville der blive brugt omrejsende ultralydsbølger." Dette skyldes det faktum, at stående bølger produceres, når bølger, der bevæger sig i modsatte retninger, overlapper hinanden.

Hvad forskerne heller ikke tidligere tog højde for, er, at partiklerne i applikationer kan bevæge sig i alle retninger. Dermed lod de spørgsmålet om fremdrift afhænger af partiklernes orientering til side. I stedet så de kun på partikler justeret vinkelret på ultralydsbølgen. Nu har forskerholdet i Münster for første gang undersøgt virkningerne af orientering ved hjælp af omfattende computersimuleringer.

De kom til den konklusion, at fremdriften af ​​nanopartiklerne afhænger af deres orientering. Samtidig fungerer den akustiske fremdriftsmekanisme i vandrende ultralydsbølger så godt for alle orienteringer af partiklerne – dvs. ikke kun nøjagtigt vinkelret på ultralydsbølgen - at disse partikler virkelig kan bruges til biomedicinske applikationer. Et andet aspekt, som Münster-fysikerne undersøgte, var den fremdrift, partiklerne udviste, da de blev udsat for ultralyd fra alle retninger (dvs. "isotropisk ultralyd").

Et grundlag for skridtet mod ansøgning

"Our results showed how the particles will behave in applications and that the propulsion has the right properties for the particles to actually be used in these applications," Johannes Voß concludes. As Raphael Wittkowski adds, "We have revealed important properties of acoustically propelled nanoparticles which had not previously been studied, but which need to be understood to enable the step to be made from basic research to the planned applications involving the particles."

The two Münster researchers examined conical particles, as they can move fast even at a low intensity of ultrasound—i.e. they have efficient propulsion—and also they can easily be produced in large numbers. The particles are almost one micrometer in size—almost a thousand nanometres. In comparison, a red blood cell has a diameter of around 7.7 micrometers. This means that the nanoparticles could move through the bloodstream without blocking up the finest blood vessels. "The particle size can be selected in line with what is needed in the particular application intended, and the propulsion mechanism also functions in the case of smaller and larger particles," Johannes Voß explains. "We simulated the particles in water, but the propulsion is also suitable for other fluids and for tissue."

By means of computer simulations, the team investigated systems and their properties which could not be studied in the many preceding experiments. Looking into the future, Raphael Wittkowski says, "An important step would be for experiment-based research to move on to looking at these systems." + Udforsk yderligere

Acoustically driven microrobot outshines natural microswimmers