Wetenschappers van Rice University hebben ontdekt wat misschien wel de eenvoudigste vorm van voortbeweging is in de reizen van deeltjes op micronschaal die zijn verbonden en aangedreven door een magnetisch veld.

In het Rice-lab van chemisch en biomoleculair ingenieur Sibani Lisa Biswal, onderzoekers plaatsten gemagnetiseerde bollen van verschillende groottes in een oplossing. Wanneer onderworpen aan een "excentrisch magnetisch veld, " de bollen zelf samengesteld en de kleinere bollen, bevestigd door virtuele scharnieren, traceerden ruwe banen naar één kant van hun grotere partners.

In essentie, de kleine kralen repliceerden de beweging van een eenarmige zwemmer die de schoolslag deed. De onderzoekers ontdekten dat ze het magnetische veld konden manipuleren om zwemmers met bijna een micron per minuut door de vloeistof te leiden. Het vermogen kan ze uiteindelijk geschikt maken als vehikels voor medicijnafgifte.

Het fenomeen is het onderwerp van een artikel in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Zachte materie .

"Er is de laatste tijd veel belangstelling voor actieve materie en systemen die collectief gedrag vertonen, "Zei Biswal. "We zijn gewend om dit te zien in hoe vogels zwermen of bacteriën zwermen, maar nu kunnen we het zien in synthetische materialen die ook het vermogen vertonen om met elkaar te koppelen.

"Magnetische velden zijn ontstaan ​​als een manier om deeltjes aan te drijven om interessante dingen te doen, " ze zei.

Rice-alumnus en hoofdauteur Di (Daniel) Du ontdekte de zwemmers terwijl ze bestudeerden hoe paramagnetische colloïdale deeltjes reageren op een roterend magnetisch veld, het onderwerp van verschillende recente artikelen van het Biswal-lab.

"Op een dag realiseerde ik me dat sommigen van hen zwemmen, " zei Du. "Ik was hier erg in geïnteresseerd, dus ik heb gekeken naar dit specifieke voortbewegingsverschijnsel onder een laag Reynolds-getal." Een Reynolds-getal kwantificeert hoe objecten in vloeistoffen bewegen in verhouding tot hun viscositeit, hij zei. "Dus als je ziet zwemmen, het betekent dat er iets aan de hand is.

"We ontdekten dat onder bepaalde omstandigheden, vooral onder een excentrisch magnetisch veld, deze deeltjes vormen zichzelf tot een zwemmer en het wordt een motief, ' zei Du.

Excentrisch betekent dat het brandpunt van het roterende magnetische veld niet het centrum van een colloïde is, maar rond zijn omtrek beweegt. In hun experimenten, de onderzoekers ontdekten dat ze de baan van het kleine deeltje konden regelen door de voeding te veranderen in vier computergestuurde elektromagneten die de oplossing omringen.

De deeltjes zitten alleen vast door het magnetische veld, waardoor de kleinere de vrijheid heeft om in een zwemachtige beweging te bewegen met een lange slag en een korte teruggaande slag. De onderzoekers noemden dat een schoolslag omdat, zoals voor menselijke zwemmers, de slag vereist niet dat het het oppervlak van de oplossing breekt.

Om bij het thema te blijven, Du noemde de grote deeltjes "torso's" en de kleine "armen". Het vermogen van de zwemmers om te bewegen stelde hem in staat te beweren dat ze nog eenvoudiger waren dan de "eenvoudigst mogelijke zwemmers" ontworpen door Nobelprijswinnaar Edward Purcell. Purcell ontwierp theoretische apparaten van drie stijve staven verbonden door twee scharnieren, elk scharnier vertegenwoordigt één vrijheidsgraad, en beschouwde ze als de eenvoudigste configuratie voor een apparaat dat zou kunnen zwemmen "als je de scharnieren op een bepaalde manier beweegt, ' zei Du.

"Maar die van ons is eigenlijk eenvoudiger, " hij zei, "Omdat ik het aantal starre componenten van het prototype van Purcell heb verminderd."

Du zei dat experimenten en simulaties lieten zien dat zwemmers met meerdere torso's en armen kunnen worden gecontroleerd, hoewel hun snelheid varieerde afhankelijk van de sterkte van het veld en – in de simulaties – van de Brownse beweging, de alomtegenwoordige, willekeurig duwen en trekken van moleculen in gassen en vloeistoffen.

In tests met zwemmers met meerdere deeltjes, Du zei, sommige armen zouden iets verder van de romp afdrijven dan andere. Omdat deze "armfragmentatie" de snelheid van de zwemmer beïnvloedde, het hielp Du theorieën op te schudden over hoe deeltjes reageren op Brownse beweging.

"Alleen wanneer er Brownse beweging is, zien we deze fragmentatie, " zei hij. "Met Brownse beweging komen onze simulaties overeen met experimentele resultaten; soms drijft fragmentatie de zwemmers ertoe langzamer te zwemmen, en soms sneller. Zonder Brownse beweging, er is een enorm verschil."

Eerdere studies over de "scallop-stelling" toonden aan dat Brownse beweging de beweging van dingen kan beïnvloeden met heen en weer gaande beweging, als een sint-jakobsschelp die eenvoudig opent en sluit zonder zichzelf voort te stuwen, maar toch willekeurig beweegt. De armen van Du's zwemmers bewegen op een niet-reciproke manier - de slag is langer dan de teruggaande slag - maar hij toonde aan dat hun snelheid ook wordt beïnvloed door Brownse beweging.

Du zei dat het mogelijk zal zijn om liganden of eiwitten aan de grote deeltjes te hechten voor levering aan cellen of andere biologische locaties, en het hele voertuig kon worden verplaatst met twee magnetische spoelen in een hoek van 90 graden.

"Op die manier, zwemmers kunnen dienen als microrobots, " hij zei.