Videnskab
 Science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Styring af kontrol:Propelform hjælper med at dirigere nanopartikler, siger forskere

Fremstilling og design af propeller. A) Scanning elektronmikroskopi (SEM) billede af flere 3D-printede propeller med 10 nm Ni og 25 nm Pt. Brug af 3D-print muliggør formkontrol til hurtig prototypedesign, for eksempel propeller med forskellige antal finner. Skalaen er 10 µm. B) SEM-billede med større forstørrelse af en propelfinne, der illustrerer ensartet platinbelægning. Skalaen er 400 nm. C) Top- og sidebilleder af CAD-modellen til 3D-print af optimerede propeller med seks finner, 20° finnestigning og 3,3 µm tykkelse. D) Simuleringsmodel set fra oven og fra siden af ​​en propel bygget af forbundne vulster, hvor H er propelhøjden, W er bredden og θ er stigningsvinklen for finnerne. Propellen omfatter katalytiske C og ikke-katalytiske N-perler med dens orienteringsvektor, û, defineret i retningen fra N til C del i propellen. Kredit:Lille (2023). DOI:10.1002/smll.202304773

Selvkørende nanopartikler kunne potentielt fremme lægemiddellevering og laboratorie-på-en-chip-systemer - men de er tilbøjelige til at blive slyngelagtige med tilfældige, retningsløse bevægelser. Nu har et internationalt hold af forskere udviklet en tilgang til at tøjle de syntetiske partikler.

Ledet af Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck og J. Lloyd Huck Chair professor i biomedicinsk teknik, kemi og matematik ved Penn State, redesignede holdet nanopartiklerne til en propelform for bedre at kontrollere deres bevægelser og øge deres funktionalitet. De offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Small .

På grund af fabrikationsudfordringer har formen af ​​nanopartikler tidligere været begrænset til stænger og donuts, ifølge Ashlee McGovern, doktorand i kemi ved Penn State og første forfatter på papiret. Med en nanoscribe-maskine, der kan 3D-printe på nanoskala i Penn State's Materials Research Institute, eksperimenterede McGovern for at optimere nanopartikelformen. Hun redesignede formen af ​​partiklerne til en propel, som kan spinde effektivt, når den udløses af en kemisk reaktion eller magnetfelt.

Propelformen anvender chiralitet, beslægtet med en skrue- eller vindeltrappe, hvor topfladen spejles af bundfladen.

En propelformet nanopartikel drejer mod uret, udløst af en kemisk reaktion med hydrogenperoxid, efterfulgt af en opadgående bevægelse, udløst af et magnetfelt. Den optimerede form af disse partikler giver forskere mulighed for bedre at kontrollere nanopartiklernes bevægelser og til at opsamle og flytte lastpartikler. Kredit:Active Biomaterials Lab

"Formen forudbestemmer, hvordan en partikel vil bevæge sig," sagde McGovern. "Kiralitet, eller håndelighed, som en designfunktion er ikke blevet brugt nok i nanopartikelforskning og er en måde at få partiklerne til at bevæge sig på mere og mere komplekse måder."

Den chirale form gør det muligt for partiklerne at bevæge sig i en foreskreven retning og, afhængigt af vingenes hældning, dreje med uret eller mod uret på plads, drevet af en kemisk reaktion mellem metallerne i nanopartiklerne og hydrogenperoxid.

Efter at have eksperimenteret med forskellige antal og vinkler af finner såvel som forskellige tykkelser, fandt forskerne ud af, at brug af fire eller flere finner ved en 20-graders hældning og 3,3 mikron tykkelse gav den største mængde stabilitet. Med tre eller færre finner udviser propellerne ukontrolleret bevægelse.

Den øgede kontrol gjorde det muligt for forskere at manipulere partiklerne til at fange og transportere polymerlastpartikler.

"Ved hjælp af et magnetfelt kan vi styre mikropropellerne til at jage og indsamle lastpartikler," sagde McGovern. "Vores laboratoriums stang- og donutformede nanopartikler ville ved et uheld opsamle last, men ikke på nogen kontrolleret måde."

For yderligere at kontrollere partiklernes bevægelser manipulerede forskere mikropropellernes rotationsretning.

"Med de indbyggede strømme, som partiklerne skaber, kan vi kontrollere partikel-til-partikel-interaktionerne mellem de to propeller," sagde McGovern. "Ved at skifte rotationsretningen fra mod uret til med uret og omvendt tillader to propeller at tiltrække eller frastøde hinanden."

Venstre mod højre: Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck og J. Lloyd Huck professor i biomedicinsk teknik, kemi og matematik, og Ashlee McGovern, doktorand i kemi og første forfatter på papiret. Kredit:Kate Myers/Penn State

Aronson, som leder Active Biomaterials Lab, som McGovern arbejder i, understregede den fremtidige rækkevidde af denne forskning.

"Ved at bruge skræddersyede mekaniske, magnetiske og kemiske reaktioner kan vi udøve mere kontrol end nogensinde før på disse nanopartikler," sagde Aronson. "I fremtiden kan vi udnytte denne kontrol til at anvende denne teknologi til at designe koncepter til mikroskalaenheder eller mikrorobotter."

Flere oplysninger: Ashlee D. McGovern et al., Multifunktionelle chirale kemisk drevne mikropropeller til lasttransport og manipulation, Små (2023). DOI:10.1002/sml.202304773

Journaloplysninger: Lille

Leveret af Pennsylvania State University




Sidste artikel

Næste artikel

Varme artikler
Sprog: French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Videnskab © https://da.scienceaq.com