Leidse natuurkundigen benutten zelfassemblage van kleine deeltjes om ooit van onderaf functionele structuren zoals microrobots te creëren. Nu zetten ze een belangrijke stap voorwaarts door het experimenteel realiseren van verbindingen op micrometerschaal. De studie is gepubliceerd in nanoschaal logboek.

Robots ter grootte van een micrometer hebben een groot potentieel, bijvoorbeeld in de geneeskunde, omdat ze lokaal medicijnen kunnen afleveren of nauwkeurige operaties kunnen uitvoeren. Wetenschappers zoeken daarom naar manieren om robots op deze miniatuurschaal te ontwikkelen. Echter, bij het vervaardigen van steeds kleinere versies van functionele apparaten, men loopt al snel tegen beperkingen aan. Daarom, Leids natuurkundige Daniela Kraft werkt andersom:bottom-up in plaats van top-down. Ze gebruikt deeltjes van ongeveer een micrometer, zogenaamde colloïden, als onderdelen. Door hun kleine formaat, colloïden hebben als bijkomend voordeel dat ze continu in willekeurige richtingen bewegen, waardoor de structuren zichzelf kunnen bouwen.

Gewrichten

Hoewel het al een uitdaging is om de verschillende onderdelen te maken, zoals kubussen, driehoeken, en dumbbells - en combineer ze op de gewenste manier, de resulterende objecten zijn meestal stijf. Als je droomt van het maken van een volledig functionele microrobot, je hebt ook onderdelen nodig die beweging mogelijk maken:gewrichten. Nu voor het eerst, Kraft en haar onderzoeksgroep zijn erin geslaagd om op microschaal drie verschillende soorten verbindingen te maken:scharnieren, glijders en kogelgewrichten. Ze publiceren hun bevindingen in Nanoscale.

DNA

Om hun gewrichten de nodige mobiliteit te geven, de onderzoekers verbinden de colloïden via DNA-linkers. In plaats van de linkers op een vaste plaats op het colloïde te bevestigen, ze bewegen vrij over het oppervlak. Kraft houdt de dichtheid relatief laag op ongeveer duizend DNA-linkers per vierkante micrometer op het colloïde oppervlak. Dat is voldoende om de gezamenlijke functionaliteit in te bouwen, terwijl het er tegelijkertijd niet te veel zijn om het systeem te stoppen.

Graden van vrijheid

In de macroscopische wereld gewrichten zorgen niet alleen voor een mobiele verbinding, ze bieden ook functionaliteit door de beweging in bepaalde richtingen te beperken. Een deurscharnier, bijvoorbeeld, laat de deur slechts in één richting draaien. Om dergelijke specifieke vrijheidsgraden en dus functionaliteit aan hun microscopisch kleine gewrichten te verlenen, de natuurkundigen maakten gebruik van het feit dat colloïden zich het sterkst hechten bij maximaal contact. Een bol verbonden met een kubisch deeltje kan alleen langs zijn kant glijden, omdat het contactoppervlak kleiner wordt als het de hoek omgaat; dit maakt het een glijdende verbinding (Figuur 1b). Bollen die zijn verbonden met de taille van een halter, kunnen alleen rond het midden draaien, omdat ze maximaal contact voelen als ze beide helften van de halter aanraken (Figuur 1c). Dit zorgt voor een scharnierfunctie. Ten derde, sferische colloïden kunnen worden gebruikt als kogelgewrichten omdat aangehechte deeltjes de vrijheid hebben om in alle richtingen te bewegen (Figuur 1a). Deze drie soorten microscopisch kleine verbindingen transformeren starre colloïde structuren in flexibele structuren die de basis vormen voor toekomstige zelfbouwende microrobots.