een nieuwe, eenvoudig, en goedkope methode die ultraviolet licht gebruikt om de beweging en assemblage van deeltjes in vloeistoffen te regelen, zou de medicijnafgifte kunnen verbeteren, chemische sensoren, en vloeistofpompen. De methode stimuleert deeltjes - van plastic microbeads, aan bacteriesporen, tot verontreinigende stoffen - verzamelen en organiseren op een specifieke locatie in een vloeistof en, indien gewenst, om naar nieuwe locaties te verhuizen. Een paper waarin de nieuwe methode wordt beschreven, verschijnt in het tijdschrift Angewandte Chemie .

"Veel toepassingen met betrekking tot sensoren, medicijnafgifte, en nanotechnologie vereisen een nauwkeurige controle van de vloeistofstroom, " zei Ayusman Sen, Distinguished Professor of Chemistry aan Penn State en senior auteur van het artikel. "Onderzoekers hebben hiervoor een aantal strategieën ontwikkeld, inclusief nanomotoren en vloeistofpompen, maar voorafgaand aan deze studie hadden we geen gemakkelijke manier om deeltjes op een bepaalde locatie te verzamelen, zodat ze een nuttige functie kunnen vervullen en ze vervolgens naar een nieuwe locatie te verplaatsen zodat ze de functie opnieuw kunnen uitvoeren.

"Stel bijvoorbeeld dat je een sensor wilt bouwen om deeltjes van een vervuilende stof te detecteren, of bacteriesporen in een watermonster, " zei Sen. "Met deze nieuwe methode, we kunnen eenvoudig nanodeeltjes van goud of titaniumdioxide toevoegen en een licht laten schijnen om de vervuilende deeltjes of sporen aan te moedigen zich te verzamelen. Door ze op één plek te concentreren, ze worden gemakkelijker te detecteren. En omdat licht zo gemakkelijk te manipuleren is, we hebben een hoge mate van controle."

Net zoals vervuilende deeltjes zich op een bepaalde locatie kunnen verzamelen, de methode kan worden gebruikt om silica- of polymeerparels te verzamelen die een nuttige lading dragen, zoals antistoffen of medicijnen, op bepaalde plaatsen in een vloeistof.

De nieuwe methode omvat eerst het toevoegen van een kleine hoeveelheid titaniumdioxide of gouden nanodeeltjes aan een vloeistof, als water, die ook grotere interessante deeltjes bevat, zoals verontreinigende stoffen of kralen die een nuttige lading dragen. Door met een licht op een specifiek punt in de vloeistof te schijnen, worden de kleine metalen nanodeeltjes opgewarmd, en de warmte wordt vervolgens overgedragen aan de vloeistof. De warmere vloeistof stijgt dan op bij het lichtpunt - net zoals warme lucht opstijgt in een koude kamer - en koeler water stroomt naar binnen om de ruimte te vullen die het warme water net heeft verlaten, de grotere deeltjes mee te nemen.

"Dit zorgt ervoor dat de grotere deeltjes zich verzamelen op het punt van UV-licht, waar ze dicht opeengepakt zijn, goed georganiseerde structuren genaamd colloïdale kristallen, " zei Benjamin Tansi, afgestudeerde student scheikunde aan Penn State en eerste auteur van het artikel. "Het veranderen van de intensiteit van het licht of de hoeveelheid titaniumdioxide of gouddeeltjes verandert hoe snel dit proces plaatsvindt."

Wanneer het licht wordt verwijderd, de grotere deeltjes diffunderen willekeurig door de vloeistof. Maar als het licht wordt verplaatst, de grotere deeltjes bewegen naar het nieuwe lichtpunt, meestal hun structuur behouden terwijl ze bewegen. Deze dynamische vergadering, demontage, en beweging van georganiseerde deeltjes kan belangrijke implicaties hebben voor detectie en medicijnafgifte.

"Dit proces is het meest efficiënt wanneer gouden nanodeeltjes worden gebruikt, maar we wilden een alternatief vinden dat goedkoper en toegankelijker was, " zei Tansi. "We waren verheugd te ontdekken dat deze methode ook werkt met titaniumdioxide, een goedkoop en onschadelijk nanodeeltje dat wordt gebruikt in cosmetica en als voedseladditief."

Naast water, de onderzoekers demonstreerden de effectiviteit van deze methode in hexadecaan, een organische vloeistof.

"Deeltjes assembleren meestal niet erg goed in zoute of niet-waterige omgevingen omdat alles aan elkaar plakt, " zei Sen. "Maar hier laten we zien dat deeltjes kunnen assembleren met behulp van deze methode in hexadecaan, wat suggereert dat we deze techniek kunnen toepassen in, bijvoorbeeld, biologische vloeistoffen. Voor zover wij weten is dit de eerste demonstratie van door licht aangedreven vloeistofpompen in een organisch medium."

Leden van het onderzoeksteam van de Universiteit van Pittsburgh onder leiding van Anna Balazs gebruikten wiskundige modellen om de dynamiek van het systeem te beschrijven. Naast het beschrijven hoe deeltjes in het systeem bewegen, de modellen bevestigen dat slechts een kleine verandering in temperatuur - minder dan een graad Celsius - van het ultraviolette licht nodig is om de vloeistofstroom te induceren.

Het onderzoeksteam test momenteel de grenzen van deze methode, bijvoorbeeld als deeltjes bergopwaarts in de richting van de lichtbron kunnen bewegen of als de methode kan worden gebruikt om deeltjes op grootte te sorteren.

"We wisten dat het verwarmen van gouden nanodeeltjes in suspensie een vloeistofstroom kon creëren, " zei Tansi, "Maar voorafgaand aan deze studie had niemand gekeken of dit soort thermisch aangedreven vloeistofstromen konden worden gebruikt om iets nuttigs te doen. Omdat ultraviolet licht en titaniumdioxide zo gemakkelijk te beheersen zijn, we denken dat deze methode in de toekomst in verschillende technologieën kan worden toegepast. Bijvoorbeeld, een vloeistofpomp die op deze methode vertrouwt, kan mogelijk de omvangrijke en duurdere traditionele pompen vervangen die een stroombron nodig hebben of die afhankelijk zijn van magnetisme of mechanische beweging om te functioneren."