Bioinspirerede selvsamlede kolloide kollektiver af aktive stofsystemer
Systemer med aktivt stof har unik adfærd, der inkluderer kollektive selvsamlingsstrukturer og kollektiv migration. Imidlertid er bestræbelserne på at realisere kollektive enheder i rum uden vægklæbet støtte, for at udføre tredimensionel bevægelse uden spredning, udfordrende.
I en ny undersøgelse, offentliggjort i Science Advances , Mengmeng Sun og et forskerhold inden for maskinteknik og fysisk intelligens i Kina og Tyskland, blev bioinspireret af planktons migrationsmekanismer og foreslog en bimodal aktiveringsstrategi ved at kombinere magnetiske og optiske felter.
Mens det magnetiske felt udløste selvsamlingen af magnetiske kolloide partikler for at opretholde talrige kolloider som en dynamisk stabil enhed, tillod de optiske felter de kolloide kollektiver at generere konvektiv flow gennem fototermiske effekter til 3D-drift. Kollektiverne udførte 3D-bevægelse under vandet for at give indsigt i designet af smarte enheder og intelligente materialer til syntetisk aktivt stof, der kan regulere kollektiv bevægelse i 3D-rum.
Aktivt levende stof
Aktivt levende stof er allestedsnærværende i naturen og tilbyder selvsamlede kollektiver, der kan udføre komplekse opgaver, der overgår individuelle evner, som omfatter fugleflokke og kolonier af bakterier.
Bioinspireret af naturlige kollektiver er det muligt at undersøge kolloider som byggesten til materialer, ligesom atomer, der danner byggesten af molekyler og krystaller. Kolloid selvsamling kan studeres som en metode til at fremstille nanostrukturer med tekniske implikationer til at bygge nanoskala elektronik, energikonvertering eller -lagring, lægemiddellevering og katalysatorer.
Processen med kolloid samling kan styres på et mønstret substrat eller gennem Langmuir-Blodgett samling, til samling i fibre og celler og som kemiske signaler.
I dette arbejde præsenterede Mengmeng Sun og et team af forskere en ny tilgang til at opnå 3D-motilitet af kolloide kollektiver uden spredning. Det kolloide kollektiv bestod af ferrofluidiske kolloide jernpartikler med en diameter under 1 μm, drevet af et skræddersyet roterende magnetfelt til selv at samle sig til et dynamisk stabilt kollektiv.
Holdet fokuserede på optisk konvektiv strømning ved hjælp af væskestrømme til 3D-drift - bioinspireret af plankton. Sun og holdet diskuterede metoderne til overgange af kolloide kollektiver for at undersøge deres bevægelsesevner på vandoverflader. Resultaterne kulminerede i kolloide kollektiver med 3D-mobilitet for at tilpasse sig komplekse miljøer med fysisk intelligens til bevægelse, selvsamling og regulering.
Bimodal aktiveringsstrategi
Sun og forskerholdet vedtog en bimodal aktiveringsstrategi for magnetiske og optiske felter for at realisere 3D-bevægelse af kolloide kollektiver.
I det første trin udløste de dannelsen af kolloide kollektiver ved at inkorporere et magnetfelt indeholdende tre justerbare parametre, herunder pitch-vinkel, frekvens og styrke. Til at begynde med, i fravær af et magnetisk felt, udviste de ferrofluidiske kolloider Brownsk bevægelse efter bundfældning.
Når de først var blevet aktiveret af det skræddersyede roterende magnetfelt, samlede de sig selv for at danne små primitive kollektiver kendt som ikke-ligevægts kolloide kollektiver, der fortsatte med at stige i størrelse og smelte sammen med nabopartikler for at bidrage til deres vækst; forskerne bekræftede dette ved at bruge simuleringer.
Det kolloide kollektivs morfologi afhang af styrken og frekvensen af det påførte magnetfelt, hvilket gjorde det muligt for kollektivet at bevare sin integritet, hvilket udløste dannelsen og opretholdelsen af dets dynamiske stabilitet.
Temperaturgradient
De spredte ferrofluid kolloide partikler absorberede nær-infrarødt lys for at omdanne det til varmeenergi, hvilket gav anledning til en lokal temperaturgradient. Temperaturgradienten inducerede en konvektiv strømning for at føre partiklerne opad for at samles til et kollektiv med en forbedret fototermisk effekt. Dette resulterede i opretholdelsen af en dynamisk stabil enhed uden at gå i opløsning.
I mangel af et nær-infrarødt optisk felt kølede det kolloide kollektiv ned med en svækket hydrodynamisk kraft for at synke gradvist under tyngdekraften.
Disse prøver justerede derfor det optiske felt til konvektion og opnåede lodret opadgående, svævende og retningsbestemt vandret bevægelse. Da den hydrodynamiske kraft var større end tyngdekraften, skubbede konvektionen kollektivet opad lodret, hvilket tillod det kolloide kollektiv at svæve under vandet. Ved at regulere det optiske felt styrede Sun og teamet kolloidkollektivets bevægelse og justerede deres positioner under vandet.
Overgange gennem luft-vand-grænsefladen
Forskerne undersøgte det kolloide kollektivs evne til at bryde gennem vandoverfladen ved hjælp af induceret konvektionsstrøm; for at indikere, hvordan prøverne med succes forlod vandet ved at overvinde vandets overfladespænding.
De kolloide kollektiver overvandt overfladespænding og tyngdekraft for velregulerede overgange gennem vandoverfladen for at dykke ned i vand på et ønsket sted og tidspunkt. Forskerne analyserede konstruktionerne ved at bruge opdrift, hydrodynamisk kraft fra konvektion, overfladespænding og tyngdekraft.
Sun og team undersøgte disse effekter på konventionelle mikrorobotkollektiver for at introducere rumligt symmetriske interaktioner for bevægelse under vandet og på vandoverfladen. Holdet brugte magnetiske og optiske felter til at drive bevægelsen af sådanne mikrorobotkollektiver på vandoverfladen, hvor de klatrede op på vandmenisken til transport drevet af et optisk felt. Sådanne instrumenter kendt som overfladevandrere kan krydse forhindringer, der er større end deres egen størrelse, og omgå høje barrierer til anvendelser inden for miljøvidenskab, medicin og teknik.
Outlook
På denne måde blev Mengmeng Sun og kolleger bioinspireret af planktons migrationsmekanismer for at drive kolloide kollektiver til at bevæge sig i 3D-rum uden grænser. Holdet kombinerede magnetiske og optiske felter til velformet og reguleret 3D-bevægelse af aktive kolloide kollektiver i et akvatisk miljø med de kombinerede optiske og magnetiske felter for at lette 3D-bevægelse.
Disse sedimenter og kolloide systemer giver en kraftfuld proces til at udforske selvsamlingens fysik og udvikle en praktisk metode til at syntetisere funktionelle materialer.
De levende systemer kan danne selvsamlede kolloide kollektiver under eksterne magnetfelter, for at skabe strukturer, der kan ledes gennem rum og grænseflader, for at opnå usædvanlige geometrier og mønstre.
Sun og team har til hensigt at undersøge disse kollektiver og deres kompleksitet for materialesyntese og design. Disse dobbeltresponsive konstruktioner kan fungere som mikrorobotkollektiver for miljøtilpasning med praktiske anvendelser i biovæsker med høj viskositet og høje ionkoncentrationer med brede anvendelser inden for biomedicinsk teknik.
Flere oplysninger: Mengmeng Sun et al., Bioinspirerede selvsamlede kolloide kollektiver, der driver i tre dimensioner under vandet, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4201
Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt
© 2023 Science X Network
Varme artikler
-
Nanostrukturdesign gør det muligt for pixels at producere to forskellige farverEn pixel kan kodes med to forskellige farver fra en bred farvepalet ved hjælp af nanostrukturarrays belyst med ortogonalt polariseret lys. Kredit:simon2579/iStock/Thinkstock Gennem præcis struktur -
Glansen i guldpartikler har en ny anvendelse - at finde defekterDet glimt af guld har altid fanget vores øjne, men nu har ædelmetallet fået en ny anvendelse – at finde fejl i 3-D-print. Vanderbilt-forskere har udviklet en teknik til, at guld rent faktisk stråler -
Forskere er pionerer i ny produktionsmetode for heterostrukturenhederForskere ved University of Exeter har udviklet en banebrydende produktionsmetode til heterostrukturenheder, baseret på 2D-materialer såsom grafen. Kredit:Darren Nutting og Dr. Freddie Withers/ Univers -
Team skaber mikrorobotter drevet af luftbobler og ultralydEt scanningselektronmikroskopbillede viser en robotsvømmer i cellestørrelse, der kan drives og styres af ultralydsbølger. Kredit:Cornell University Nogle ingeniører finder inspiration i mekanikken
- Bestemmelse af erosionshastigheder via maling
- Klimamysterier forvirrer stadig videnskabsmænd, trods fremskridt
- Forskere søger efter overlevende af sjældne arter midt i Australiens flammer
- Kaster lys på den mørke side af fast lobbyisme
- Hvilke tilpasninger har ulve?
- Mars InSights muldvarp bevæger sig igen