science >> Wetenschap > >> Fysica

Opto-thermo-elektrische microzwemmers

Conceptueel ontwerp voor optisch rijden en sturen van opto-thermo-elektrische microzwemmers. (a) Onder lichtvelden, PS/Au Janus-deeltjes zijn ingesteld om afwisselend te zwemmen en te roteren om een vooraf gedefinieerd pad te volgen. (b) Bij bestraling met licht op een Janus-deeltje, een temperatuurgradiënt ∇T die van de PS-kant naar de Au-kant wijst, wordt gegenereerd op het deeltjesoppervlak vanwege de asymmetrische absorptie van PS en Au. (c) Zodra het Janus-deeltje is gedispergeerd in een 0,2 mM CTAC-oplossing, een thermo-elektrisch veld wordt geïnduceerd om het Janus-deeltje langs de temperatuurgradiënt te drijven. De witte “+” symbolen geven het positief geladen oppervlak aan. in b, C, de asymmetrische verwarming en het thermo-elektrische veld onder een onscherpe laserstraal worden weergegeven in het X-Z-vlak. ( d ) Schematische illustratie en e asymmetrische verwarming van het Janus-deeltje wanneer ingesteld om te roteren (zoals weergegeven door de kastanjebruine pijl) in het X-Y-vlak door een andere gerichte laserstraal (aangegeven door het groene gebied omringd door een gestippelde cirkel). in d, e, de onscherpe laserstraal is uitgeschakeld Credit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

In een recent rapport, Xiaolei Peng en een team van wetenschappers in materiaalwetenschap en techniek aan de Universiteit van Texas, ONS., en de Tsinghua-universiteit, China, ontwikkelde opto-thermo-elektrische microzwemmers bio-geïnspireerd door het bewegingsgedrag van Escherichia coli (E. coli). Ze ontwikkelden de microzwemmers met behulp van diëlektrische gouden Janus-deeltjes die worden aangedreven door een zelfvoorzienend elektrisch veld dat voortkomt uit de optothermische reactie van de deeltjes. Toen ze de constructies verlichtten met een laserstraal, de Janus-deeltjes vertoonden een optisch gegenereerde temperatuurgradiënt langs de deeltjesoppervlakken, vormen een opto-thermo-elektrisch veld om zichzelf voort te stuwen.

Het team ontdekte de zwemrichting van microzwemmers op basis van de oriëntatie van het deeltje. Ze stelden een nieuwe optomechanische benadering voor om de navigatierichting van microzwemmers te begrijpen die afhankelijk waren van een door temperatuurgradiënt geïnduceerd elektrisch veld, met behulp van een gerichte laserstraal. Door de tweede rotatielaserstraal in de opstelling te timen, ze plaatsten de deeltjes in elke gewenste richting om de zwemrichting efficiënt te regelen. Met behulp van donkere-veld optische beeldvorming en een feedback-besturingsalgoritme faciliteerden de wetenschappers geautomatiseerde voortstuwing van microzwemmers. De opto-thermo-elektrische microzwemmers zullen toepassingen hebben in colloïdale systemen, gerichte medicijnafgifte en biomedische detectie. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Natuurlicht:wetenschap en toepassingen .

Microzwemmers

Microzwemmers zijn een klasse micromachines die externe chemische, akoestische of elektromagnetische energie in zwembeweging. Dergelijke machines kunnen worden gebruikt voor diverse biomedische toepassingen, variërend van gerichte medicijnafgifte tot precisie-nanochirurgie en diagnostische detectie. In dit werk, Peng et al. gebruikte volledig optische microzwemmers op basis van Janus-deeltjes in een optotherm gegenereerd elektrisch veld om optothermo-elektrische microzwemmers te bouwen die de 'run-and-tumble'-beweging van E. coli-cellen nabootsten. In zijn werkingsmechanisme, de asymmetrische lichtabsorptie van een Janus-deeltje onder bestraling met een laserstraal veroorzaakte een zelfgegenereerde temperatuurgradiënt voor een resulterend opto-thermo-elektrisch veld dat het deeltje voortstuwde. De wetenschappers stuurden het proces aan met behulp van twee laserstralen, waar de tweede gefocusseerde laserstraal de rotatie in het vlak van individuele Janus-deeltjes veroorzaakte onder optische verwarming. Het team bereikte een stabiele deeltjesrotatie dankzij de thermo-elektrische kracht, optische kracht en stokes sleepkracht in de opstelling. Peng et al. de werkingsmechanismen verder onderzocht door experimenten te koppelen aan theorie en simulaties.

Een zwemmend 2,1 m PS/Au Janus-deeltje in 0,2 mM CTAC (cetyltrimethylammoniumchloride) oplossing. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Concept en ontwerp

Om foton-naar-fonon (licht naar geluid) energieconversie te vergemakkelijken, het team ontwikkelde opto-thermo-elektrische zwemmers door een dunne gouden (Au) laag op het oppervlak van polystyreen (PS) kralen half te coaten. Bij lichte bestraling, het absorptieverschil tussen PS en Au creëerde een temperatuurgradiënt op het PS/Au Janus-deeltjesoppervlak. Peng et al. verspreidde de Janus-deeltjes in een wateroplossing om de thermische energie om te zetten in mechanische energie. Wanneer aangedreven door het thermo-elektrische veld en bestraald door een laserstraal, de Janus-deeltjes migreerden langs de PS-naar-Au-richting om de zwemtoestand aan te tonen. Echter, thermische fluctuaties kunnen de oriëntatie van Janus-deeltjes veranderen, waardoor ze tijdens de migratie van hun koers afdrijven. Om de koers vast te houden, de wetenschappers schakelden de onscherpe laserstraal uit en gebruikten een gefocusseerde laserstraal om Janus-deeltjes te roteren en op te vangen voor heroriëntatie. Bij het bereiken van hun bestemde oriëntatie, ze schakelden de gefocusseerde laserstraal uit en keerden de Janus-deeltjes terug naar de onscherpe laserstraal om ze terug te brengen naar de zwemtoestand. Dit schakelproces in twee toestanden bood het best mogelijke ontwerp om microzwemmers actief te navigeren voor een verscheidenheid aan functionaliteiten.

Opto-thermo-elektrisch zwemmen van PS/Au Janus-deeltjes onder een onscherpe laserstraal. (a) Schematische weergave van het zwemmechanisme. De snelheid is gericht van het PS-halfrond naar het Au-gecoate halfrond. (b) Zwemsnelheid als functie van het optische vermogen voor 5 m PS/Au Janus-deeltjes. Een laserstraal van 660 m met een straal van 31 m werd toegepast om het zwemmen aan te drijven. (c) Tijdsopgeloste beelden van een zwemmend 2,1 m PS/Au-deeltje. Een laserstraal van 1064 m met een straal van 31 m en een vermogen van 32 mW werd toegepast om het zwemmen aan te drijven. (d) Zwemsnelheid als functie van het optische vermogen voor 2,1 m PS/Au Janus-deeltjes. Twee verschillende laserstralen, d.w.z., een laserstraal van 1064 m met een straal van 45 m en een laserstraal van 660 m met een straal van 45 m, werden toegepast om het zwemmen te besturen. De inzet van b, d toont een PS/Au Janus-deeltje dat wordt aangedreven om onder een onscherpe laserstraal te zwemmen. Alle bovengenoemde bundelafmetingen werden verkregen door experimentele meting. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Opto-thermo-elektrisch zwemmen en oriëntatiecontrole

Toen Peng et al. een onscherpe laserstraal gebruikt voor gerichte beweging van opto-thermo-elektrische microzwemmers, ze bereikten een "energiepool" voor de Janus-deeltjes. Ze noemden de beweging langs de zelf gegenereerde temperatuurgradiënt als zelfthermoforese. In de omringende oplossing van cetyltrimethylammoniumchloride (CTAC), zelfthermoforese is ontstaan uit thermo-elektrische effecten om de karakteristieke beweging van de deeltjes mogelijk te maken. Het team zou de kamerdikte van de experimentele opstelling kunnen verminderen om de vloeistofstroom te stabiliseren en het directionele transport van Janus-deeltjes te vergemakkelijken. Omdat de oriëntatie van Janus-deeltjes willekeurig kan worden veranderd door thermische fluctuaties, het team gebruikte een tweede gerichte laserstraal om deeltjesrotatie te bereiken om efficiënt in de zwemrichting te navigeren. Ze bereikten dit door laserstralen te wisselen om het roterende Janus-deeltje kwantitatief te analyseren en hun realtime positie te extraheren. evenals oriëntatiegegevens.

Toen het laservermogen toenam, de deeltjesrotatie nam ook toe, hoewel de voortdurende toename van het laservermogen sterke verhittingseffecten en thermische schade aan het Janus-deeltje veroorzaakte. De rotatiesnelheid was afhankelijk van de deeltjesgrootte. Om de thermo-elektrische kracht te begrijpen, Peng et al. simuleerde de temperatuurverdeling op de oppervlakken van PS/Au Janus-deeltjes. Vervolgens berekenden ze de thermo-elektrische kracht en optische kracht om de rotatiedynamiek te begrijpen. Het team voerde verder onderzoek uit om het zelf-uitlijningsgedrag van het Janus-deeltje te begrijpen.

Oriëntatiecontrole van PS/Au Janus-deeltjes met een gefocusseerde laserstraal. (a) Configuratie en (b) corresponderend donkerveldbeeld van een vrij 2,7 m PS / Au Janus-deeltje in het X-Z-vlak. (c) Configuratie en (d) corresponderend donkerveldbeeld van een roterend 2,7 m PS / Au Janus-deeltje in het X-Z-vlak. (e) In de tijd opgeloste donkerveldbeelden van de rotatie van een 2,7 m PS/Au Janus-deeltje. De half-cyaan, halfgouden deeltjes in de inzet illustreren de overeenkomstige configuraties, terwijl de kastanjebruine pijlen in de inzet de oriëntaties illustreren. De groene vlek in de inzetstukken stelt de laserstraal voor (met een golflengte van 532 nm). (f) Verplaatsing van het centrum van het 2,7 m Janus-deeltje als functie van de tijd. Het middelpunt van de straal wordt ingesteld als de oorsprong van de coördinaten. De passende sinusoïdale krommen geven een cirkelvormige rotatie aan. (g) Oriëntatie-evolutie van het 2,7 m Janus-deeltje als functie van de tijd. De passende zaagtandgolf duidt op een consistente sturing van de oriëntatie. (h) Rotatiesnelheid als functie van het optische vermogen voor 2,7 m PS/Au Janus-deeltjes. In a–d, voor een vrij Janus-deeltje, er werd geen grens op het halfrond van de deeltjes waargenomen in het optische donkerveldbeeld omdat het met Au-gecoate deel de neiging had om uit te lijnen met de richting van de zwaartekracht. In tegenstelling tot, toen in-plan rotatie van het Janus-deeltje werd gestart, de PS-Au-interface werd loodrecht op het substraat vanwege het gecoördineerde effect van de thermo-elektrische kracht en de optische kracht. Er werd een asymmetrische ring waargenomen in het optische donkerveld, met de helderdere halve ring die overeenkomt met de Au-coating vanwege de sterkere optische verstrooiing. De inzet illustreert de rotatie onder een groene laserstraal (met een golflengte van 532 nm). De grootte van de laserstraal op het monstervlak is 2,65 m voor e, H. Een vermogen van 1,9 mW werd toegepast voor rotatie in (e) Oriëntatiecontrole van PS / Au Janus-deeltjes met een gefocusseerde laserstraal. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Feedback controle methode:

Het team stelde vervolgens een feedbackalgoritme op om actieve navigatie te vergemakkelijken en de zwemrichting van Janus-deeltjes te sturen. Om closed-loop controle te bereiken, ze ontwikkelden een computerprogramma om de realtime positie en oriëntatie van een bepaald Janus-deeltje te volgen en coördineerden automatisch het besturingssysteem. In de proefopstelling is twee computergestuurde luiken dicteerden de aan/uit-statussen van twee individuele laserstralen. De wetenschappers hebben met succes het directionele zwemmen van Janus-deeltjes geleid, waarbij een toename van de rotatiesnelheid de regelnauwkeurigheid van de zwemrichting verminderde. Om dit te verantwoorden, Peng et al. gebruikt een camera met een hogere framesnelheid (CCD) om de nauwkeurigheid van feedbackcontrole aanzienlijk te verbeteren. Vervolgens demonstreerden ze actieve navigatie van de PS / Au Janus-deeltjes met behulp van het feedbackcontrolealgoritme voor gericht transport van opto-thermo-elektrische zwemmers. Het werk wees op het potentieel van opto-thermo-elektrische microzwemmers om medicijnmoleculen en niet-metalen onderdelen te dragen voor nauwkeurige levering met mogelijke toepassingen in gerichte nano / microdrugsafgifte.

Directioneel zwemmen en gericht transport van PS/Au Janus-deeltjes met een feedback-controlemethode. (a) Schematische illustratie van directioneel zwemmen met feedbackcontrole op de experimenteel opgenomen beelden, waar een gerichte groene laserstraal en een onscherpe rode laserstraal werden gebruikt voor het navigeren en het besturen van het zwemmen, respectievelijk. (b) Stroomschema van de feedbackcontrolemethode. (c) Optische opstelling en mechanische lay-out voor de feedbackbesturingsmethode. (d) Trajecten van 5 m PS/Au Janus-deeltjes die in verschillende richtingen zwemmen. (e) Gerichte levering van een 5 m PS/Au Janus-deeltje aan een 10 m PS-deeltje. Een 5 m 532 nm laserstraal met een vermogen van 2.6 mW werd gebruikt om de rotatie aan te drijven, terwijl een laserstraal van 660 m met een straal van 31 m en een vermogen van 160-200 mW werd toegepast om het zwemmen aan te drijven. Credit:Licht:Wetenschap &Toepassingen, doi:10.1038/s41377-020-00378-5

Op deze manier, Xiaolei Peng en collega's ontwikkelden opto-thermo-elektrische microzwemmers met volledig optische bediening en navigatie. Ze bereikten dit door gebruik te maken van opto-thermo-elektrische koppeling van de Janus-deeltjes. De warmte die wordt gegenereerd door de met licht bestraalde Janus-deeltjes creëerde een thermo-elektrisch veld om de deeltjes in een specifieke richting voort te stuwen zonder chemische brandstof. Ze gebruikten een gerichte laserstraal om de oriëntatie van de microzwemmers te sturen en controleerden de rotatie van Janus-deeltjes met een tweede straal. Het mechanisme kan verder worden onderzocht om intelligente microrobots te ontwikkelen voor meerdere taken in de biogeneeskunde.

Quantumlicht perst de ruis uit microscopiesignalen

Floppy atomaire dynamica helpt warmte om te zetten in elektriciteit

Hoofdlijnen

Wetenschap

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway | Spanish |