Boulder-onderzoekers van de Universiteit van Colorado hebben ontdekt dat minuscule, zelfrijdende deeltjes genaamd "nanozwemmers" kunnen wel 20 keer sneller uit doolhoven ontsnappen dan andere passieve deeltjes, de weg vrijmaakt voor hun gebruik in alles, van industriële schoonmaak tot medicatietoediening.

De bevindingen, deze week gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , beschrijven hoe deze kleine synthetische nanorobots ongelooflijk effectief zijn in het ontsnappen uit holten in doolhofachtige omgevingen. Deze nanozwemmers zouden ooit kunnen worden gebruikt om verontreinigde grond te saneren, de waterfiltratie verbeteren of zelfs medicijnen afleveren aan gerichte delen van het lichaam, zoals in dichte weefsels.

"Dit is de ontdekking van een geheel nieuw fenomeen dat wijst op een breed scala aan toepassingen, " zei Daniël Schwartz, senior auteur van de paper en Glenn L. Murphy bijzonder hoogleraar chemische en biologische engineering.

Deze nanozwemmers kwamen ongeveer 20 jaar geleden onder de aandacht van de theoretische natuurkundegemeenschap, en mensen stelden zich een schat aan toepassingen in de echte wereld voor, volgens Schwartz. Maar helaas zijn deze tastbare toepassingen nog niet gerealiseerd, deels omdat het tot nu toe vrij moeilijk was om hun bewegingen in relevante omgevingen te observeren en te modelleren.

Deze nanozwemmers, ook wel Janusdeeltjes genoemd (vernoemd naar een Romeinse tweekoppige god), zijn kleine bolvormige deeltjes samengesteld uit polymeer of silica, ontworpen met verschillende chemische eigenschappen aan elke kant van de bol. Eén halfrond bevordert het optreden van chemische reacties, maar niet de ander. Dit creëert een chemisch veld waardoor het deeltje energie uit de omgeving kan halen en deze kan omzetten in gerichte beweging - ook bekend als zelfaandrijving.

"In biologie en levende organismen, celvoortstuwing is het dominante mechanisme dat beweging veroorzaakt, en toch, in technische toepassingen, het wordt zelden gebruikt. Ons werk suggereert dat we veel kunnen doen met zelfaandrijving, ' zei Schwartz.

In tegenstelling tot, passieve deeltjes die willekeurig bewegen (een soort beweging die bekend staat als Brownse beweging) staan ​​bekend als Brownse deeltjes. Ze zijn vernoemd naar de 19e-eeuwse wetenschapper Robert Brown, die onder meer de willekeurige beweging van stuifmeelkorrels in water bestudeerde.

Voor dit onderzoek hebben de onderzoekers deze passieve Brownse deeltjes omgezet in Janusdeeltjes (nanozwemmers). Daarna lieten ze deze zelfrijdende nanozwemmers proberen te bewegen door een doolhof gemaakt van een poreus medium, en vergeleken hoe efficiënt en effectief ze ontsnappingsroutes vonden in vergelijking met de passieve Brownse deeltjes.

De resultaten waren schokkend, zelfs voor de onderzoekers.

De Janus-deeltjes waren ongelooflijk effectief in het ontsnappen van holtes in het doolhof - wel 20 keer sneller dan de Brownse deeltjes - omdat ze strategisch langs de holtewanden bewogen op zoek naar gaten, waardoor ze de uitgangen heel snel konden vinden. Hun zelfaandrijving leek hen ook een boost van energie te geven die nodig was om door de uitgangsgaten in het doolhof te gaan.

"We weten dat we veel toepassingen hebben voor nanorobots, vooral in zeer beperkte omgevingen, maar we wisten niet echt hoe ze bewegen en wat de voordelen zijn in vergelijking met traditionele Brownse deeltjes. Daarom zijn we een vergelijking tussen deze twee begonnen, " zei Haichao Wu, hoofdauteur van de paper en afgestudeerde student in chemische en biologische technologie. "En we ontdekten dat nanozwemmers een totaal andere manier kunnen gebruiken om in deze doolhofomgevingen te zoeken."

Hoewel deze deeltjes ongelooflijk klein zijn, ongeveer 250 nanometer - net breder dan een mensenhaar (160 nanometer), maar toch veel, veel kleiner dan de kop van een speld (1-2 millimeter) - het werk is schaalbaar. Dit betekent dat deze deeltjes door ruimten kunnen navigeren en doordringen die zo microscopisch klein zijn als menselijk weefsel om vracht te vervoeren en medicijnen af ​​te leveren, evenals door grond ondergronds of stranden van zand om ongewenste verontreinigende stoffen te verwijderen.

Zwermende nanozwemmers

De volgende stap in deze onderzoekslijn is om te begrijpen hoe nanozwemmers zich gedragen in groepen in besloten omgevingen, of in combinatie met passieve deeltjes.

"In een open omgeving, Van nanozwemmers is bekend dat ze opkomend gedrag vertonen - gedrag dat meer is dan de som der delen - dat de zwermbeweging van zwermen vogels of scholen vissen nabootst. Dat is een grote stimulans geweest om ze te bestuderen, ' zei Schwartz.

Een van de belangrijkste obstakels om dit doel te bereiken, is de moeilijkheid om de 3D-beweging van deze kleine deeltjes diep in een materiaal dat complexe onderling verbonden ruimtes omvat, te kunnen observeren en begrijpen.

Wu overwon deze hindernis door brekingsindexvloeistof in het poreuze medium te gebruiken, dat is een vloeistof die van invloed is op hoe snel licht door een materiaal gaat. Dit maakte het doolhof in wezen onzichtbaar, terwijl de observatie van 3D-deeltjesbeweging mogelijk is met behulp van een techniek die bekend staat als microscopie met dubbele helix-puntspreidingsfunctie.

Dit stelde Wu in staat om driedimensionale banen van de deeltjes te volgen en visuele representaties te creëren, een belangrijke vooruitgang ten opzichte van de typische 2D-modellering van nanodeeltjes. Zonder deze vooruitgang het zou niet mogelijk zijn om de beweging en het gedrag van individuen of groepen nanozwemmers beter te begrijpen.

"Dit document is de eerste stap:het biedt een modelsysteem en het beeldvormingsplatform waarmee we deze vragen kunnen beantwoorden, " zei Wu. "De volgende stap is om dit model te gebruiken met een grotere populatie nanozwemmers, om te bestuderen hoe ze in een besloten omgeving met elkaar kunnen omgaan."