Microscopisch kleine nanomachines die bewegen als onderzeeërs met hun eigen voortstuwing, bijvoorbeeld in het menselijk lichaam, waar ze actieve stoffen transporteren en ze op een doelwit afzetten:wat klinkt als sciencefiction is in de afgelopen 20 jaar een steeds sneller groeiende onderzoeksveld. De meeste van de tot nu toe ontwikkelde deeltjes functioneren echter alleen in het laboratorium. De voortstuwing is bijvoorbeeld een hindernis. Sommige deeltjes moeten van energie worden voorzien in de vorm van licht, andere gebruiken chemische voortstuwing waarbij giftige stoffen vrijkomen. Geen van beide kan in aanmerking komen voor enige toepassing in het lichaam. Een oplossing voor het probleem zouden akoestisch voortgestuwde deeltjes kunnen zijn. Johannes Voß en Prof. Raphael Wittkowski van het Instituut voor Theoretische Fysica en het Centrum voor Zachte Nanowetenschappen van de Universiteit van Münster (Duitsland) hebben nu antwoorden gevonden op centrale vragen die voorheen de toepassing van akoestische voortstuwing in de weg stonden. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Reizende ultrasone golven zijn geschikt voor voortstuwing 

Echografie wordt gebruikt in akoestisch aangedreven nanomachines omdat het vrij veilig is voor toepassingen in het lichaam. Hoofdauteur Johannes Voß vat het uitgevoerde onderzoek als volgt samen:"Er zijn veel publicaties waarin experimenten worden beschreven. De deeltjes in deze experimenten werden echter bijna altijd blootgesteld aan een staande ultrasone golf. Dit maakt de experimenten weliswaar aanzienlijk eenvoudiger, maar tegelijkertijd maakt het de resultaten minder betekenisvol voor mogelijke toepassingen - omdat in dat geval reizende ultrasone golven zouden worden gebruikt." Dit komt door het feit dat staande golven worden geproduceerd wanneer golven die in tegengestelde richting reizen elkaar overlappen.

Waar onderzoekers ook eerder geen rekening mee hielden, is dat in toepassingen de deeltjes alle kanten op kunnen bewegen. Dus lieten ze de vraag buiten beschouwing of voortstuwing afhangt van de oriëntatie van de deeltjes. In plaats daarvan keken ze alleen naar deeltjes die loodrecht op de ultrasone golf stonden. Nu heeft het team van onderzoekers in Münster voor het eerst de effecten van oriëntatie bestudeerd met behulp van uitgebreide computersimulaties.

Ze kwamen tot de conclusie dat de voortstuwing van de nanodeeltjes afhangt van hun oriëntatie. Tegelijkertijd functioneert het akoestische voortstuwingsmechanisme in reizende ultrasone golven zo goed voor alle oriëntaties van de deeltjes - d.w.z. niet alleen precies loodrecht op de ultrasone golf - dat deze deeltjes ook echt voor biomedische toepassingen kunnen worden gebruikt. Een ander aspect dat de natuurkundigen van Münster onderzochten, was de voortstuwing die de deeltjes vertoonden wanneer ze werden blootgesteld aan ultrageluid dat uit alle richtingen kwam (d.w.z. "isotroop ultrageluid").

Een basis voor de stap naar solliciteren

"Our results showed how the particles will behave in applications and that the propulsion has the right properties for the particles to actually be used in these applications," Johannes Voß concludes. As Raphael Wittkowski adds, "We have revealed important properties of acoustically propelled nanoparticles which had not previously been studied, but which need to be understood to enable the step to be made from basic research to the planned applications involving the particles."

The two Münster researchers examined conical particles, as they can move fast even at a low intensity of ultrasound—i.e. they have efficient propulsion—and also they can easily be produced in large numbers. The particles are almost one micrometer in size—almost a thousand nanometres. In comparison, a red blood cell has a diameter of around 7.7 micrometers. This means that the nanoparticles could move through the bloodstream without blocking up the finest blood vessels. "The particle size can be selected in line with what is needed in the particular application intended, and the propulsion mechanism also functions in the case of smaller and larger particles," Johannes Voß explains. "We simulated the particles in water, but the propulsion is also suitable for other fluids and for tissue."

By means of computer simulations, the team investigated systems and their properties which could not be studied in the many preceding experiments. Looking into the future, Raphael Wittkowski says, "An important step would be for experiment-based research to move on to looking at these systems." + Verder verkennen

Acoustically driven microrobot outshines natural microswimmers