(Phys.org)—Onderzoekers hebben een nieuw type microtandwiel ontworpen dat ronddraait wanneer micromotoren vast komen te zitten in de hoeken van de tanden van het tandwiel. De micromotoren gebruiken de omringende waterstofperoxide-oplossing als brandstof om zichzelf voort te stuwen, waardoor de microtandwielen gaan draaien. In de toekomst, de kleine tandwielen zouden kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor het maken van autonome micromachines.

De onderzoekers, Claudio Maggi, et al., uit Italië, Duitsland, en Spanje, hebben een paper over de microgears gepubliceerd in een recent nummer van het tijdschrift Klein .

"De moderne instrumenten van nanotechnologie kunnen worden gebruikt om materie op micron- en nanoschaal te vormen met een hoge mate van structurele en morfologische controle, "Maggi, aan de Universiteit van Rome, vertelde Phys.org . "Onlangs zijn onderzoekers begonnen met het onderzoeken van mogelijke strategieën om deze structuren 'leven te geven' en ze te voorzien van een of ander mechanisme voor zelfaandrijving. De hele inspanning van het miniaturiseren van machines wordt nutteloos, echter, als er nog steeds grote en dure apparatuur nodig is om de voortstuwing op micronschaal aan te drijven en te regelen. Om deze reden, we werken aan de ontwikkeling van geavanceerde materialen, gezamenlijk aangeduid als 'actieve stof, ' die een ingebedde energiebron kan omzetten in gerichte beweging."

De hier gebruikte actieve materiematerialen zijn micromotoren in de vorm van Janusdeeltjes. Zoals de Romeinse god met twee gezichten, Janusdeeltjes hebben twee gezichten, of oppervlakken, waardoor ze een asymmetrisch karakter krijgen. Hier, één zijde van elk 5 µm deeltje is bedekt met platina, zodat wanneer de deeltjes worden ondergedompeld in een waterstofperoxide-oplossing, ze bewegen in één richting.

In een oplossing die zowel Janus-deeltjes als passieve microtandwielen van 8 µm bevat, sommige van de zelfrijdende Janus-deeltjes botsen met de microtandwielen. De Janus-deeltjes oriënteren zich dan autonoom zodat hun voortstuwingsrichting langs de zijkanten van de tandwielen loopt, en hun voorwaartse momentum vergrendelt ze op hun plaats in de tanden van de tandwielen. Er kunnen maximaal zes Janus-deeltjes in de zes tanden van de microgears worden geplaatst.

Deze strategie is vergelijkbaar met eerdere methoden voor het verplaatsen van micro-objecten die de collectieve beweging van bacteriën of synthetische microzwemmers gebruiken. Echter, al deze eerdere methoden vereisten hoge concentraties bacteriën/microzwemmers en bewogen zich op een zeer willekeurige manier, waardoor het moeilijk is om de beweging te controleren en te reproduceren.

De grootste voordelen van de nieuwe methode zijn dat het werkt met lagere deeltjesconcentraties en dat de beweging sterk deterministisch is. De onderzoekers ontdekten dat de draaisnelheid van de microgear lineair toeneemt naarmate het aantal Janus-deeltjes dat in de versnelling is opgesloten, toeneemt van 1 naar 3. Met 4 deeltjes en meer, de snelheid vlakt af en begint dan af te nemen, wat waarschijnlijk is omdat de extra Janus-deeltjes de waterstofperoxidebrandstof uitputten, zodat de snelheid van alle deeltjes afneemt.

"We hebben nu aangetoond dat actieve Janus-colloïden zichzelf kunnen assembleren rond een micro-gefabriceerde rotor in reproduceerbare configuraties met een hoge mate van ruimtelijke en oriëntatievolgorde, " zei co-auteur Roberto Di Leonardo van de Italiaanse Nationale Onderzoeksraad, en de coördinator van de onderzoeksgroep. "Het samenspel tussen geometrie en dynamisch gedrag leidt tot de zelfassemblage van autonome micromotoren uitgaande van willekeurig verdeelde deeltjes. Naast een duidelijk technologisch belang, onze resultaten tonen aan dat het begrijpen van fundamentele aspecten van interacties in actieve materiesystemen de weg opent naar zeer reproduceerbare en bestuurbare micromachines voor lab-on-chip-toepassingen."

In de toekomst, de onderzoekers gaan onderzoeken hoe het afstemmen van de concentratie waterstofperoxide kan worden gebruikt om de rotatiesnelheid van de micromotoren te regelen. Het regelen van de snelheid is essentieel voor lab-on-chip micromachines en andere toepassingen.

Het onderzoek werd gefinancierd door twee ERC Starting Grants en combineert recente ontwikkelingen op het gebied van katalytische voortstuwing (Grant nr. 311529) en statistische mechanica van actieve materie (Grant nr. 307940).

© 2016 Fys.org