Als kleinschalige lego's die op hun plaats klikken, de natuur stelt autonoom microscopisch kleine bouwstenen samen. Levende systemen zijn biochemische machines die uitblinken in het bouwen en verplaatsen van hun onderdelen. Net zoals machines in een of andere vorm energie nodig hebben om te werken, levende systemen worden van energie voorzien door op betrouwbare wijze "brandstof" - stoffen of voedsel - te consumeren. Het menselijk lichaam, bijvoorbeeld, trekt spieren samen door de beweging van kleine nanomotoren - moleculaire apparaten die energie op nanoschaal omzetten om beweging op macroschaal te genereren. Het vermogen om de zelfassemblage van de natuur na te bootsen, zou een revolutie teweegbrengen in de benadering van de wetenschap om materialen te synthetiseren die zouden kunnen genezen, contracteren of opnieuw configureren.

Om deze potentiële mimiek te onderzoeken, University of California San Diego Universitair docent natuurkunde Jeremie Palacci en postdoctoraal wetenschapper Antoine Aubret, samen met professor Stefano Sacanna en zijn team aan de New York University, introduceerde een nieuwe benadering om speciaal ontworpen microscopisch kleine blokken te assembleren tot kleine tandwielachtige machines. Hun onderzoeksresultaten worden uiteengezet in een paper met de titel, "Gerichte montage en synchronisatie van zelfdraaiende microtandwielen, " gepubliceerd 23 juli online in Natuurfysica .

"Dit is een eerste belangrijke stap in wat we synthetisch kunnen bouwen om levende systemen na te bootsen, " merkte Palacci op.

De bouwstenen zijn zelfaangedreven microdeeltjes die voortbewegen nadat ze door licht zijn geactiveerd. De wetenschappers hebben ze speciaal ontworpen om autonoom lichtgradiënten waar te nemen en in lichtpatronen te navigeren. Dit leidt tot hun opmerkelijke assemblage tot slechts één type machine:een zelfvormende, draaiende micro-uitrusting bestaande uit zeven van dergelijke microdeeltjes - een 'machine gemaakt van machines'.

Als een zachte gecondenseerde materie, experimenteel fysicus Palacci zei dat het team de microtandwielen heeft geassembleerd tot meer geavanceerde motieven en grotere machines, synchroniseren zoals mechanische tandwielen, ook al hebben ze geen contact.

"Dit is geen magie, blijkbaar, maar natuurkunde, " zei Palacci. "De tandwielen voelen elkaar en werken samen door de brandstof die ze verbruiken en de vloeistof die ze verplaatsen."

Aubret zei dat het spannend was om te zien wat er gedaan kon worden op het gebied van zelfassemblage met behulp van twee eenvoudige ingrediënten:lichte aanwijzingen en een goed ontworpen bouwsteen.

"In plaats van de deeltjes één voor één te plukken, we hebben zojuist lichtpatronen over elkaar heen gelegd met onze optische opstelling, en laat de deeltjes en rotoren het werk doen, "legde hij uit. "Natuurlijk, het is veel werk geweest om hier te komen, maar dit is nog maar het begin van het verhaal. Het opent nieuwe wegen voor ons onderzoek, en we hopen dat we nog verder kunnen opklimmen in de hiërarchie van zelfassemblageprocessen."

Volgens Germano Iannacchione, NSF-programmadirecteur die toezicht hield op de beurs van Palacci, het doel van onderzoek naar zachte materie is niet alleen om de fundamentele principes te begrijpen die dit levendige en diverse wetenschapsgebied beheersen, maar ook om deze principes te vertalen in middelen om de materie op nieuwe manieren te beheersen.

"Het opwindende deel van dit werk is de ontdekking hoe je kleine deeltjes kunt controleren en samenvoegen tot grotere, ontworpen structuren die vervolgens met licht kunnen worden gemanipuleerd. Dit onderzoek is een mooi voorbeeld van het maken van een kleine proto-machine die je niet eens aanraakt, ' zei Iannacchione.