Kleine zelfrijdende bolletjes, alleen micrometers meten, bewegen sneller over een hydrofoob siliconenoppervlak dan over hydrofiel glas. "Bijna niemand had door dat het substraat ertoe doet, " zegt Stefania Ketzetzi, de onderzoeker die het effect ontdekte, onderzocht het en legde het uit. Ze publiceert erover in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

"Dit was een toevallige ontdekking, " zegt Ketzetzi, een wetenschapper in de Daniela Kraft-groep, die onderzoek doet naar microzwemmers. Dit zijn kleine colloïdale bolletjes van slechts micrometers. De ene helft van de bol is bedekt met een dunne laag platina.

Kleine raketten

Wanneer deze deeltjes worden gesuspendeerd in een waterstofperoxide-oplossing, het platina werkt als een katalysator. Het bevordert de chemische reactie van waterstofperoxide in water en zuurstof. De vorming van reactieproducten aan één kant van het deeltje zorgt voor een vloeistofstroom die het deeltje voortstuwt als een kleine raket. Door hun eigen voortstuwing ze worden 'actieve' deeltjes genoemd. Op een dag, ze kunnen worden toegepast als motoronderdelen voor microrobots.

"Ik stuitte op het substraateffect terwijl ik aan een project werkte waarvoor ik polymeergecoate glazen als substraten moest gebruiken, " zegt Ketzetzi over de publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven . "Die substraten waren zeer hydrofiel. Ik merkte dat dezelfde zwemmers veel langzamer bewogen. Waarom?" Samen met groepsleider Kraft, ze besloot op onderzoek uit te gaan.

Siliconen

De onderzoekers controleerden systematisch of de elektrische ladingen van de substraten van belang waren voor de snelheid, maar dit leverde geen duidelijk resultaat op. Ook de ruwheid van de substraten leverde geen correlatie op. Vervolgens, ze besloten substraten te testen met variërende hydrofobiciteit:het hydrofobe polydimethylsiloxaan ('siliconen') versus glas en hydrofiel polyethyleen. Het blijkt dat de gladheid van het substraat een verschil maakt voor de voortstuwingssnelheden:de kleine raketten bereikten een snelheid van 2,8 micrometer per seconde op siliconen, versus 1 micrometer per seconde op de andere substraten.

Een maat voor hydrofobiciteit is de contacthoek, de hoek die het oppervlak van een waterdruppel maakt met een vast oppervlak. Op hydrofiele ondergronden, de druppels verspreiden zich wijd en de contacthoek is klein. Op hydrofobe ondergronden, de contacthoek is groter, meestal meer dan 90 graden. De onderzoekers ontdekten dat voor vergelijkbare contacthoeken, de snelheden waren ook vergelijkbaar, terwijl een hogere contacthoek ook een hogere snelheid betekent.

Een verklaring is gevonden met hulp van theoretisch natuurkundige Joost de Graaf van de Universiteit Utrecht. De contacthoek van de oplossing op het substraat heeft betrekking op de gladheid van het substraat. Hoe groter de contacthoek, hoe gladder de ondergrond, en dus hoe gemakkelijker de vloeistof er langs kan stromen.

Gladheid

“Het blijkt dat de gladheid van de ondergrond een verschil maakt voor de voortstuwingssnelheden, ", zegt Ketzetzi. De voortstuwing komt van vloeistofstromen rond het deeltje. Als een deeltje over een substraat beweegt, een deel van deze stromen zal tussen het deeltje en het oppervlak stromen. Dit zal gemakkelijker zijn op glad, hydrofobe oppervlakken.

Anderzijds, Ketzetzi zegt, stroomt over hydrofiele oppervlakken, water voelt meer weerstand, dus de voortstuwingsstromen hebben het moeilijker om tussen het deeltje en het oppervlak te bewegen. Dit belemmert de voortstuwing van het colloïde, wat resulteert in langzamere zwemmers over hydrofiele oppervlakken.

De volgende stap, Ketzetzi zegt, is om te onderzoeken hoe dit te gebruiken. Denk aan toepassingen als lab-on-a-chip, een miniatuur chemisch laboratorium, of van medicijnafgifte, waar drugs zijn gericht en afgeleverd op bepaalde locaties in het lichaam. Ketzetzi:"Bij toepassingen zullen zwemmers zich moeten voortbewegen in complexe omgevingen met muren en obstakels. Het is belangrijk om het effect te begrijpen dat deze hebben op de zwemmer. Met behulp van deze nieuwe kennis, we kunnen het gedrag van de microzwemmers begrijpen en mogelijk controleren."