Onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau, ETH in Zürich en de Universiteit van Cambridge hebben actieve microdeeltjes gesynthetiseerd en geanalyseerd die zichzelf voortstuwen in een vloeistof en hun voortstuwingsrichting omkeren, afhankelijk van de golflengte van het verlichtende licht. Een onderzoeksartikel waarin hun werk wordt samengevat, is onlangs gepubliceerd in: Natuurcommunicatie .

Actieve materie omvat systemen met zelfrijdende elementen die energie uit de omgeving halen en omzetten in kinetische energie. Dit is momenteel een levendige discipline in de natuurkunde, verspreid over vele tijd- en lengteschalen, met betrekking tot, bijv. het gedrag van vogels in koppels (zoals het mompelen van spreeuwen), scholen vissen (als een vorm van bescherming tegen roofdieren), en ook bacteriën in biofilms en andere aquatische microzwemmers. Het richt zich zowel op het gedrag van individuele elementen als op het begrijpen van hun mechanismen van energieomzetting, interactie en koppeling met de omgeving die zo belangrijk is voor het voortbestaan, en over de collectieve effecten en opkomst van nieuwe verschijnselen in grote populaties. Beide kunnen met succes worden beschreven op verschillende niveaus van precisie, uitgaande van simplistische minimale grofkorrelige modellen, en tot verfijnde numerieke simulaties.

bacteriën, algen, spermatozoa, ciliaten en andere eencellige organismen vormen een belangrijke groep actieve zwemmers. Het onderzoeken van de fysieke basis van hun dynamiek wordt vaak bemoeilijkt door hun enorme diversiteit, biologische complexiteit, en hoge gevoeligheid voor externe omstandigheden. De aquatische microwereld is, echter, beheerst door de universele wetten van de vloeistofdynamica, die beperkingen oplegt aan alle organismen.

Vanwege hun kleine afmetingen - micrometers, typisch - en zwemsnelheden van niet meer dan tientallen lichaamslengtes per seconde, de stroming eromheen wordt gedomineerd door viskeuze effecten. Dit betekent dat de zwemstrategieën van haaien of olympische zwemmers volledig falen in competitie op microschaal. Zwemmen op macroschaal is gebaseerd op traagheid en het snel naar achteren duwen van het water. Op microschaal, traagheidseffecten zijn verwaarloosbaar en water gedraagt ​​zich als een zeer stroperige vloeistof, zoals honing of golden syrup. Stel je voor dat je in een zwembad vol honing zwemt - een kruipbeweging zou erg vermoeiend en zeer ineffectief zijn. Vandaar, zwemmende micro-organismen hebben andere strategieën bedacht voor voortstuwing op basis van het benutten van viscositeit. Bacteriën hebben vaak spiraalvormige flagella, die ze gebruiken om als een kurkentrekker in de vloeistof te 'schroeven'. Het blijkt dat in de stroperige microwereld, deze strategie zorgt voor een effectieve voortbeweging. grotere organismen, zoals ciliaten (en Paramecium onder hen), hebben lichamen bedekt met duizenden trilhaartjes, lijkend op klein haar. Ze verplaatsen ze op een gecoördineerde manier, vergelijkbaar met een Mexicaanse golf in een stadion. Hierdoor kan de vloeistof langs het celoppervlak worden gesleept, en als een resultaat, de cel stuwt voort in de richting tegengesteld aan de voortplanting van de ciliaire golf.

Het begrijpen van deze mechanismen heeft de ontwikkeling van een nieuw veld van synthetische microzwemmers geïnspireerd. De visie om microrobots in laboratoria te ontwerpen, heeft onderzoekers jarenlang enthousiast gemaakt vanwege de potentieel brede toepassingen in diagnostiek, geneeskunde en technologie, zoals gerichte medicijnafgifte in het lichaam van de patiënt. Van dit perspectief, het is van vitaal belang om niet alleen zulke zwemmers te ontwerpen, maar ook om hun beweging te beheersen.

Het mechanisme wordt ook gebruikt in meercellige organismen, bijv. trilhaartjes in de menselijke longen en het voortplantingsstelsel zijn essentieel voor het transport van slijm. En het heeft een aantal zwemmers geïnspireerd om het fenomeen diffusioforese te gebruiken. Om het uit te leggen, beschouw het voorbeeld van een Janus-deeltje, geïnspireerd door de Romeinse god met twee gezichten. Een typische realisatie is een bolvormig microdeeltje waarvan één halve bol bedekt is met goud, en de andere bedekt met platina. Wanneer geplaatst in een oplossing van waterstofperoxide (H ₂ O ₂ ), de platinazijde katalyseert de ontleding van het peroxide tot water en zuurstof. In resultaat, de concentratie van producten van deze reactie op het platina halfrond neemt toe, en de concentratie-onbalans creëert stroming langs het oppervlak. Net als bij de zwemmende ciliaten, beweging van de vloeistof langs het oppervlak veroorzaakt beweging van de cel in de tegenovergestelde richting. Dus, het systeem zet de chemische energie van zijn omgeving lokaal om in zijn eigen kinetische energie. Het mechanisme is universeel, het belangrijkste ingrediënt is de niet-uniforme concentratie van de reagentia op het oppervlak. Bovendien, de chemische gradiënten kunnen worden vervangen door een onbalans van temperatuur of elektrostatische potentiaal. Al deze mechanismen zijn experimenteel bevestigd in microscopische systemen. Het is vermeldenswaard dat de typische maten en zwemsnelheden van deze synthetische zwemmers vergelijkbaar zijn met hun biologische inspiraties. Dus, door kunstmatige actieve materie te onderzoeken, wetenschappers krijgen een aanvullend inzicht in de zwemmende microwereld.

Er zijn veel voortstuwingsmechanismen voorgesteld en beschikbaar voor synthetische actieve stoffen. De uitdaging blijft om de beweging van een zwemmer te controleren, of programmeer het zodanig dat het een vooraf gedefinieerde plaats kan bereiken en b.v. een medicijn afgeven aan een gekozen deel van het lichaam. Alternatief, het kan worden gestuurd door een externe stimulus, zoals elektromagnetische straling, elektrische of magnetische velden, geluidsgolven, of inhomogene temperatuur.

Een stap in deze richting wordt in het nieuwe artikel gepresenteerd door onderzoekers van de Universiteit van Warschau, ETH in Zürich, en Universiteit van Cambridge, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Het toont nieuwe, gemodificeerde Janus-deeltjes, bewegen in een vloeistof onder invloed van externe verlichting, waarbij de bewegingsrichting afhankelijk is van de golflengte van het invallende licht. De deeltjes met een diameter van 3,5 micron waren gemaakt van anatase - een polymorf van titaniumdioxide - met een halve bol bedekt met goud. Wanneer verlicht met groen zichtbaar licht, de deeltjes bewegen naar de gouden dop, terwijl bij blootstelling aan UV-licht, ze keren hun bewegingsrichting om. De deeltjes werden gesynthetiseerd door Dr. Hanumantha Rao Vutukuri en Prof. Jan Vermant van ETH Zürich, waar alle experimentele werken werden uitgevoerd.

"Door de golflengte van licht te veranderen, activeren we verschillende katalytische mechanismen op de deeltjesoppervlakken, waarmee we de beweging snel en gecontroleerd kunnen sturen', zegt dr. Maciej Lisicki van de faculteit Natuurkunde, Universiteit van Warschau. "Bovendien, we zien een zeer interessante collectieve dynamiek:de deeltjes kunnen elkaar aantrekken of afstoten, afhankelijk van hun relatieve oriëntatie en de kleur van het verlichtende licht. Dit afstemmen, we observeren snelle processen van fusie en splijting, die we kunnen sturen."

De beschrijving van beweging in een dergelijk systeem vereist dat rekening wordt gehouden met zowel de chemische interacties van deeltjes door hun inhomogene concentratievelden als de reagentia die op hun oppervlak worden gecreëerd, evenals de hydrodynamische stroming veroorzaakt door hun aanwezigheid. Het theoretische model waarmee de dynamiek van deze nieuwe actieve deeltjes kan worden beschreven, werd geconstrueerd door Dr. Maciej Lisicki (Warschau) en Prof. Eric Lauga (Cambridge).

"Bij micrometrische maten, we denken dat de vloeistof rond de deeltjes erg stroperig is, ", zegt Maciej Lisicki. "Hun hydrodynamische interacties zijn tot dusver ver uiteenlopend. De beweging van elk deeltje wordt gevoeld door alle anderen."

De onderzoekers, die al heel lang werken aan de toepassingen van diffusioforese voor de synthese van kunstmatige zwemmers en microschaalpompen, geloof dat deze roman, omkeerbaar en gecontroleerd zelfvoortstuwingsmechanisme voor Janus-deeltjes is een stap in de richting van complexere microrobots die uiteindelijk in staat zullen zijn om vracht op cellulaire schaal te vervoeren. Het kan ook worden gebruikt om collectieve beweging op microschaal te regelen door lokaal door licht geïnduceerd roeren in suspensies van actieve deeltjes en mengsels van actieve en passieve colloïden gesuspendeerd in een vloeistof.