In de levenswetenschappen, onderzoekers werken aan het injecteren van medicijnen en andere moleculen met behulp van kleine transportvoertuigen. Onderzoekers van de Universiteit van Saarland en de Universiteit van Barcelona hebben in een modelsysteem aangetoond dat kleine emulsiedruppels als slimme dragers kunnen worden gebruikt. Ze hebben een methode ontwikkeld voor het produceren van zelfrijdende vloeistofdruppels die in staat zijn om ruimtelijk en tijdgestuurd een moleculaire lading af te geven. De studie is gepubliceerd in Communicatie Fysica .

"Het gebruik van druppeltjes als microdragers in de biogeneeskunde, bijvoorbeeld, is een doel dat al geruime tijd wordt nagestreefd, " zegt Ralf Seemann, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit van Saarland. Echter, deze druppeltjes konden alleen passief door het lichaam bewegen, bijvoorbeeld, via de bloedbaan. Voor hun huidige studie over actieve "micro-zwemmers, De fysici uit Saarbrücken experimenteerden met een modelsysteem dat zich ontwikkelde van enkelfasige emulsiedruppels tot zogenaamde Janus-druppels. De onderzoekers ontdekten dat ze actief kunnen bewegen en ook fungeren als een "slimme" drager voor het vervoeren en afzetten van een lading.

Janus-druppels bestaan ​​uit twee delen:een leidende waterrijke druppel en een achterblijvende ethanol- en oppervlakteactieve stofrijke druppel. De oorzaak van de speciale vermogens van de Janus-druppels ligt in hun vorming - ze doorlopen in totaal drie ontwikkelingsstadia waarin verschillende interacties met de omgeving plaatsvinden. Met deze ontwikkelingsstappen konden de onderzoekers de druppeltjes 'programmeren' als actieve dragers.

"Het uitgangspunt is homogene druppeltjes, die worden geproduceerd uit een mengsel van water en ethanol. Deze druppeltjes zwemmen in een oliefase waarin een oppervlakteactieve stof is opgelost, " legt Jean-Baptiste Fleury uit, een groepsleider op de afdeling. In de eerste ontwikkelingsfase ethanol verlaat de druppel en lost op in de omringende oliefase. Dit resulteert in verschillende spanningen op het oppervlak van de druppeltjes, die zowel aan het oppervlak als in de druppel de zogenaamde Marangoni-stroming veroorzaken.

"Met het Marangoni-effect, vloeistoffen migreren van een gebied met een lage oppervlaktespanning naar een gebied met een hoge oppervlaktespanning, " legt Martin Brinkmann uit, die ook deel uitmaakt van het onderzoeksteam. "Tijdens de eerste fase de Marangoni-stroom duwt het deeltje naar voren - een actieve beweging die wordt veroorzaakt door het voortdurende verlies van ethanol in de oliefase."

Tegelijkertijd, oppervlakteactieve stoffen uit de oliefase migreren naar de druppel omdat ze zich bij voorkeur willen omringen met de daarin aanwezige ethanol. Eindelijk, water en ethanol scheiden zich af en in de druppel vormen zich kleine druppeltjes van het mengsel van ethanol en oppervlakteactieve stoffen, die snel samensmelten, en door de stroming in de druppel, ophopen aan de achterkant. Aan het einde van fase twee, er is een karakteristieke Janusdruppel gevormd. In de volgende derde fase, de oppervlakteactieve stoffen op het oppervlak van de waterrijke druppel worden aangetrokken door de achterkant, ethanolrijke druppel, en de oppervlaktespanning aan het achterste deel van het oppervlak wordt verhoogd. Deze gradiënt zorgt ervoor dat de vloeistof op het oppervlak van de voorste druppel in de richting van de hogere oppervlaktespanning stroomt, en zet zo de hele Janus-druppel in beweging. "In de loop van hun vorming, de Janus-druppeltjes vertonen specifieke aandrijfmechanismen; Bovendien, ze resulteren in verschillende stromingsvelden in de respectievelijke stadia, " zegt dr. Brinkmann.

De onderzoekers uit Saarbrücken hebben precies de beweging van deze Janus-druppeltjes onderzocht. "We kunnen zien hoe ze tijdens hun ontwikkeling in de experimentele cel bewegen, die ongeveer 10 tot 15 minuten duurt, en hoe ze anders omgaan met obstakels, afhankelijk van hun evolutiestadium, " legt Dr. Fleury uit. De lengte van de individuele ontwikkelingsstadia kan worden gecontroleerd door de initiële ethanolconcentratie in de druppel en de grootte ervan. Om hun capaciteiten als dragers te testen, de druppeltjes in het experiment waren ook geladen met DNA-moleculen als lading, die zich ophopen in de ethanolrijke fase.

"Onze vervoerder kan selectief langs obstakels met een specifieke geometrie en oppervlakteconditie lopen en zijn lading ook gericht afleveren, " zegt prof. Seemann, de resultaten van zijn werkgroep samenvat. Dus, de studie beschrijft een eerste maar eenvoudig voorbeeld van een programmeerbare actieve vervoerder die in staat is om ruimtelijk en temporeel gecontroleerde vracht af te leveren.