Kleine robots die niet groter zijn dan een cel kunnen in massa worden geproduceerd met behulp van een nieuwe methode die is ontwikkeld door onderzoekers van MIT. De microscopische apparaten, die het team "syncells" noemt (afkorting van synthetische cellen), kan uiteindelijk worden gebruikt om de omstandigheden in een olie- of gaspijpleiding te bewaken, of om ziekte op te sporen terwijl je door de bloedbaan zweeft.

De sleutel tot het maken van zulke kleine apparaten in grote hoeveelheden ligt in een methode die het team heeft ontwikkeld om het natuurlijke breukproces van atomair dunne, broze materialen, het richten van de breuklijnen zodat ze minuscule holtes van een voorspelbare grootte en vorm produceren. In deze zakken zijn elektronische circuits en materialen ingebed die kunnen verzamelen, dossier, en uitvoergegevens.

Het nieuwe proces, genaamd "autoperforatie, " wordt beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurmaterialen , door MIT-professor Michael Strano, postdoc Pingwei Liu, afgestudeerde student Albert Liu, en acht anderen aan het MIT.

Het systeem gebruikt een tweedimensionale vorm van koolstof, grafeen genaamd, die de buitenste structuur van de kleine syncellen vormt. Een laag van het materiaal wordt op een oppervlak gelegd, dan kleine puntjes van een polymeer materiaal, met daarin de elektronica voor de apparaten, worden gedeponeerd door een geavanceerde laboratoriumversie van een inkjetprinter. Vervolgens, daarop wordt een tweede laag grafeen gelegd.

Gecontroleerd breken

Mensen denken aan grafeen, een ultradun maar extreem sterk materiaal, als zijnde "floppy, "maar het is eigenlijk broos, Strano legt uit. Maar in plaats van die broosheid als een probleem te beschouwen, het team bedacht dat het in hun voordeel kon worden gebruikt.

"We ontdekten dat je de broosheid kunt gebruiken, " zegt Strano, wie is de Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering aan het MIT. "Het is contra-intuïtief. Voor dit werk, als je me zou vertellen dat je een materiaal kunt breken om zijn vorm op nanoschaal te controleren, Ik zou ongelovig zijn geweest."

Maar het nieuwe systeem doet precies dat. Het regelt het breekproces zodat in plaats van willekeurige scherven materiaal te genereren, als de overblijfselen van een gebroken raam, het produceert stukken van uniforme vorm en grootte. "Wat we ontdekten, is dat je een spanningsveld kunt opleggen om de breuk te laten geleiden, en dat kun je gebruiken voor gecontroleerde fabricage, ' zegt Strano.

Wanneer de bovenste laag grafeen over de reeks polymeerstippen wordt geplaatst, die ronde pijlervormen vormen, de plaatsen waar het grafeen over de ronde randen van de pilaren valt, vormen lijnen van hoge spanning in het materiaal. Zoals Albert Liu het beschrijft, "Stel je een tafelkleed voor dat langzaam op het oppervlak van een ronde tafel valt. Je kunt heel gemakkelijk de zich ontwikkelende cirkelvormige spanning naar de tafelranden visualiseren, en dat is vergelijkbaar met wat er gebeurt als een plat vel grafeen rond deze bedrukte polymeerpilaren wordt gevouwen."

Als resultaat, de breuken zijn geconcentreerd langs die grenzen, zegt Strano. "En dan gebeurt er iets verbazingwekkends:het grafeen zal volledig breken, maar de breuk zal rond de omtrek van de pilaar worden geleid." Het resultaat is een nette, rond stuk grafeen dat eruitziet alsof het netjes is uitgesneden door een microscopisch kleine perforator.

Omdat er twee lagen grafeen zijn, boven en onder de polymeerpijlers, de twee resulterende schijven hechten aan hun randen en vormen zoiets als een klein pitabroodje, met het polymeer aan de binnenkant verzegeld. "En het voordeel hier is dat dit in wezen een enkele stap is, " in tegenstelling tot veel complexe cleanroom-stappen die andere processen nodig hebben om microscopisch kleine robotapparaten te maken, zegt Strano.

De onderzoekers hebben ook aangetoond dat andere tweedimensionale materialen naast grafeen, zoals molybdeendisulfide en hexagonaal boronitride, werk net zo goed.

Celachtige robots

Variërend in grootte van die van een menselijke rode bloedcel, ongeveer 10 micrometer breed, tot ongeveer 10 keer zo groot, deze kleine objecten "beginnen eruit te zien en zich te gedragen als een levende biologische cel. onder een microscoop, je zou waarschijnlijk de meeste mensen kunnen overtuigen dat het een cel is, ' zegt Strano.

Dit werk is een vervolg op eerder onderzoek van Strano en zijn studenten naar het ontwikkelen van syncellen die informatie kunnen verzamelen over de chemie of andere eigenschappen van hun omgeving met behulp van sensoren op hun oppervlak, en de informatie op te slaan om later op te vragen, bijvoorbeeld het injecteren van een zwerm van dergelijke deeltjes in het ene uiteinde van een pijpleiding en het ophalen ervan aan het andere om gegevens te verkrijgen over de omstandigheden erin. Hoewel de nieuwe syncells nog niet zoveel mogelijkheden hebben als de eerdere, die werden afzonderlijk geassembleerd, overwegende dat dit werk een manier laat zien om dergelijke apparaten gemakkelijk in massa te produceren.

Afgezien van het potentiële gebruik van de syncell voor industriële of biomedische monitoring, de manier waarop de kleine apparaten worden gemaakt, is zelf een innovatie met een groot potentieel, volgens Albert Liu. "Deze algemene procedure om gecontroleerde breuk als productiemethode te gebruiken, kan worden uitgebreid over vele lengteschalen, "zegt hij. "[Het kan mogelijk worden gebruikt met] in wezen alle 2D-materialen naar keuze, toekomstige onderzoekers in principe in staat stellen om deze atomair dunne oppervlakken in elke gewenste vorm of vorm aan te passen voor toepassingen in andere disciplines."

Dit is, Albert Liu zegt, "een van de weinige manieren die momenteel beschikbaar zijn om op grote schaal stand-alone geïntegreerde micro-elektronica te produceren" die als onafhankelijk, vrij zwevende apparaten. Afhankelijk van de aard van de elektronica binnenin, de apparaten zouden kunnen worden voorzien van bewegingsmogelijkheden, detectie van verschillende chemicaliën of andere parameters, en geheugenopslag.

Er is een breed scala aan potentiële nieuwe toepassingen voor dergelijke robotachtige apparaten op celformaat, zegt Strano, die veel van dergelijke mogelijke toepassingen beschrijft in een boek dat hij samen met Shawn Walsh schreef, een expert bij Army Research Laboratories, over het onderwerp, genaamd "robotsystemen en autonome platforms, " die deze maand wordt gepubliceerd door Elsevier Press.

Als demonstratie, het team "schreef" de letters M, L, en T in een geheugenarray binnen een syncell, die de informatie opslaat als verschillende niveaus van elektrische geleidbaarheid. Deze informatie kan vervolgens worden "gelezen" met behulp van een elektrische sonde, waaruit blijkt dat het materiaal kan functioneren als een vorm van elektronisch geheugen waarin gegevens kunnen worden geschreven, lezen, en naar believen gewist. Het kan de gegevens ook behouden zonder dat er stroom nodig is, zodat informatie op een later tijdstip kan worden verzameld. De onderzoekers hebben aangetoond dat de deeltjes gedurende een periode van maanden stabiel zijn, zelfs als ze in het water ronddrijven, dat een bijtend oplosmiddel is voor elektronica, volgens Strano.

"Ik denk dat het een hele nieuwe toolkit opent voor micro- en nanofabricage, " hij zegt.