Bediening zeer zacht, delicate items zonder ze te beschadigen is al moeilijk genoeg met mensenhanden, laat staan ​​doen op microscopische schaal met laboratoriuminstrumenten. Drie nieuwe onderzoeken laten zien hoe wetenschappers een techniek hebben aangescherpt voor het hanteren van kleine, zachte deeltjes met behulp van nauwkeurig gecontroleerde vloeistofstromen die fungeren als zachte microscopisch kleine handen. De techniek stelt onderzoekers in staat om de fysieke grenzen van deze zachte deeltjes en de dingen die ervan zijn gemaakt te testen, variërend van biologische weefsels tot wasverzachters.

De drie onderzoeken, onder leiding van Charles Schroeder van de Universiteit van Illinois, de Ray en Beverly Mentzer Faculty Scholar van chemische en biomoleculaire engineering, detailleer de technologie en toepassing van de Stokes-val - een methode voor het manipuleren van kleine deeltjes met alleen vloeistofstroom. In de nieuwste studie gepubliceerd in het tijdschrift Zachte materie , het team gebruikte de Stokes-val om de dynamiek van blaasjes te bestuderen - squishy met vloeistof gevulde deeltjes die uitgeklede versies van cellen zijn en direct relevant zijn voor biologische systemen, aldus de onderzoekers. Dit is een vervolg op twee recente onderzoeken in de tijdschriften Fysieke beoordeling Vloeistoffen en Fysieke beoordeling toegepast die de kracht van de vangmethode uitbreidde.

"Er zijn verschillende andere technieken beschikbaar om kleine deeltjes te manipuleren, zoals de veelgebruikte en Nobelprijswinnende optische valmethode die zorgvuldig uitgelijnde lasers gebruikt om deeltjes te vangen, " zei Dinesh Kumar, een afgestudeerde student in de chemische en biomoleculaire techniek en hoofdauteur van twee van de onderzoeken. "De Stokes-val biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere methoden, inclusief het gemak van opschalen om meerdere deeltjes te bestuderen en de mogelijkheid om de oriëntatie en banen van deeltjes met verschillende vormen zoals staven of bollen te controleren."

Gewapend met de verbeterde Stokes trap-technologie, het team ging op zoek naar de dynamiek van lipideblaasjes wanneer ze ver van hun normale evenwichtstoestand zijn.

"We wilden begrijpen wat er met deze deeltjes gebeurt als ze in een sterke stroom worden aangetrokken, " zei Schroeder. "In toepassingen in de echte wereld, deze materialen worden uitgerekt wanneer ze met elkaar interageren; ze worden verwerkt, geïnjecteerd en voortdurend spanningen ondergaan die leiden tot vervorming. Hoe ze handelen wanneer ze vervormen, heeft belangrijke gevolgen voor het gebruik ervan, stabiliteit en verwerkbaarheid op lange termijn."

"We ontdekten dat wanneer blaasjes worden vervormd in een sterke stroom, ze strekken zich uit in een van de drie verschillende vormen:symmetrische halter, asymmetrische halter of ellipsoïde vorm, " zei Kumar. "We hebben vastgesteld dat deze vormovergangen onafhankelijk zijn van het viscositeitsverschil van de vloeistoffen tussen de binnen- en buitenkant van de blaasjes. Dit toont aan dat de Stokes-trap een effectieve manier is om de rekdynamiek van zachte materialen in oplossing en ver van evenwicht te meten."

Met hun nieuwe gegevens, het team was in staat om een ​​fasediagram te produceren dat door onderzoekers kan worden gebruikt om te bepalen hoe bepaalde soorten vloeistofstroming vervorming zullen beïnvloeden en, uiteindelijk, de fysieke eigenschappen van zachte deeltjes wanneer ze vanuit verschillende stroomrichtingen worden aangetrokken.

"Bijvoorbeeld, producten zoals wasverzachters - die zijn samengesteld uit suspensies van blaasjes - werken niet correct als ze aan elkaar klonteren, ' zei Kumar. 'Met behulp van de Stokes-val, we kunnen uitzoeken welke soorten deeltjesinteracties ervoor zorgen dat de blaasjes aggregeren en vervolgens een beter presterend materiaal ontwerpen."

De techniek wordt momenteel beperkt door de grootte van deeltjes die de Stokes-val kan vangen en verwerken, aldus de onderzoekers. Ze werken met deeltjes die over het algemeen groter zijn dan 100 nanometer in diameter, maar om deze technologie directer toe te passen op biologische systemen, ze zullen deeltjes met een diameter van 10 tot 20 nanometer moeten kunnen grijpen, of zelfs tot een enkel eiwit.

Het team werkt momenteel aan het vangen van kleinere deeltjes en werkt samen met collega's van Stanford University om de Stokes-val toe te passen om membraaneiwitten te bestuderen.