Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Bio-geïnspireerde zelf-samengestelde colloïdale collectieven van actieve-stofsystemen

Driedimensionale driftcontrole van magnetische colloïdale collectieven. (A) Het schematische diagram toont het bewegingsmechanisme van natuurlijk plankton. (B) Het schematische diagram toont het colloïdale collectieve klimmen over een hoog obstakel onder bimodale activeringsvelden (magnetische en optische velden). Ten eerste assembleren de bezonken ferrofluïdische colloïden, aangedreven door het op maat gemaakte roterende magnetische veld, zichzelf tot een dynamisch stabiel colloïdaal collectief. Ten tweede stimuleert het optische veld het colloïdale collectief om convectieve stroming te genereren door het fotothermische effect, waardoor het colloïdale collectief stromingen kan gebruiken voor 3D-drijvende bewegingen zoals het plankton. De voorgestelde colloïdale collectieven kunnen zichzelf voortbewegen in de 3D-ruimte, zich verplaatsen tussen lucht-wateroppervlakken en zich over het wateroppervlak bewegen. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj4201

Systemen van actieve materie vertonen uniek gedrag, waaronder collectieve zelfassemblagestructuren en collectieve migratie. De inspanningen om collectieve entiteiten te realiseren in ruimtes zonder aan de muur bevestigde ondersteuning, om driedimensionale voortbeweging uit te voeren zonder verspreiding, zijn echter een uitdaging.



In een nieuwe studie, gepubliceerd in Science Advances , Mengmeng Sun en een onderzoeksteam op het gebied van werktuigbouwkunde en fysieke intelligentie in China en Duitsland, raakten bio-geïnspireerd door migratiemechanismen van plankton en stelden een bimodale activeringsstrategie voor door magnetische en optische velden te combineren.

Terwijl het magnetische veld de zelfassemblage van magnetische colloïdale deeltjes teweegbracht om talrijke colloïden als een dynamisch stabiele entiteit te behouden, zorgden de optische velden ervoor dat de colloïdale collectieven convectieve stroming konden genereren door middel van fotothermische effecten voor 3D-drift. De collectieven voerden 3D-bewegingen onder water uit om inzicht te geven in het ontwerp van slimme apparaten en intelligente materialen voor synthetische actieve materie die collectieve bewegingen in de 3D-ruimte kunnen reguleren.

Actieve levende materie

Actieve levende materie is alomtegenwoordig in de natuur en biedt zelf-samengestelde collectieven die complexe taken kunnen volbrengen die de individuele capaciteiten te boven gaan, waaronder zwermen vogels en kolonies bacteriën.

Bio-geïnspireerd door natuurlijke collectieven is het mogelijk om colloïden te onderzoeken als bouwstenen voor materialen, net zoals atomen die bouwstenen vormen van moleculen en kristallen. Colloïdale zelfassemblage kan worden bestudeerd als een methode om nanostructuren te fabriceren met technische implicaties voor de bouw van elektronica op nanoschaal, energieconversie of -opslag, medicijnafgifte en katalysatoren.

Het proces van colloïdale assemblage kan worden geleid op een substraat met een patroon of via Langmuir-Blodgett-assemblage, voor assemblage in vezels en cellen, en als chemische signalen.

Genereren van de opwaartse en neerwaartse bewegingen van het colloïdale collectief. (A) Verspreide colloïden (<1 μm) worden dynamisch samengevoegd tot een colloïdaal collectief in gedeïoniseerd water nadat ze worden geactiveerd door het roterende magnetische veld (f:van 10 tot 50 Hz, Bm:9 mT, θ:0 °). Schaalbalk, 100 μm. (B) Simulatieresultaten van de temperatuur- en convectieve stroomsnelheidsverdeling rond het colloïdale collectief. Het temperatuurverschil tussen de collectieve en omringende vloeistoffen (water) bedraagt ​​20 K. De achtergrondkleuren geven de temperaturen en snelheden van de omringende vloeistof aan. De witte pijlen vertegenwoordigen de snelheidsvectoren van de stroming. (C) Proces waarbij de colloïdale collectieven stijgen en dalen. De labels "M" en "O" geven magnetische (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:0 °) en optische velden (λ:808 nm, P:2 W) aan. De rode en zwarte pijlen geven de bewegingsrichtingen van het colloïdale collectief aan. Schaalbalk, 1 mm. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj4201

In dit werk presenteerden Mengmeng Sun en een team van wetenschappers een nieuwe aanpak om 3D-motiliteit van colloïdale collectieven zonder dispersie te bereiken. Het colloïdale collectief bestond uit colloïdale ferrofluïdische ijzerdeeltjes met een diameter van minder dan 1 μm, aangedreven door een op maat gemaakt roterend magnetisch veld om zichzelf te assembleren tot een dynamisch stabiel collectief.

Het team concentreerde zich op optische convectieve stroming met behulp van vloeistofstromen voor 3D-drift, bio-geïnspireerd door plankton. Sun en het team bespraken de methoden voor overgangen van colloïdale collectieven om hun voortbewegingsmogelijkheden op wateroppervlakken te onderzoeken. De resultaten culmineerden in colloïdale collectieven met 3D-mobiliteit om zich aan te passen aan complexe omgevingen met fysieke intelligentie voor voortbeweging, zelfassemblage en regulering.

Bimodale activeringsstrategie

Sun en het onderzoeksteam hanteerden een bimodale activeringsstrategie van magnetische en optische velden om 3D-voortbeweging van colloïdale collectieven te realiseren.

In de eerste stap brachten ze de vorming van colloïdale collectieven op gang door een magnetisch veld op te nemen dat drie instelbare parameters bevatte, waaronder pitchhoek, frequentie en sterkte. Aanvankelijk vertoonden de ferrofluïdische colloïden, bij afwezigheid van een magnetisch veld, na bezinking een Brownse beweging.

Eenmaal bekrachtigd door het op maat gemaakte roterende magnetische veld, assembleerden ze zichzelf om kleine primitieve collectieven te vormen die bekend staan ​​​​als colloïdale collectieven zonder evenwicht, die in omvang bleven toenemen en fuseerden met naburige deeltjes om bij te dragen aan hun groei; de wetenschappers bevestigden dit met behulp van simulaties.

De morfologie van het colloïdale collectief was afhankelijk van de sterkte en frequentie van het aangelegde magnetische veld, waardoor het collectief zijn integriteit kon behouden, wat de vorming en het behoud van zijn dynamische stabiliteit in gang zette.

Controleerbare overgang van het colloïdale collectief via het lucht-watergrensvlak. (A) Overgang van het colloïdale collectief van onderwater naar het wateroppervlak. De labels "M" en "O" geven magnetische (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:0 °) en optische velden (λ:808 nm, P:5 W) aan. (B) Colloïdaal zinkt collectief in water met een hellende houding (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:van 0° tot 20°). [(A) en (B)] Schaalbalken, 3 mm. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj4201

Temperatuurgradiënt

De verspreide ferrofluïde colloïdale deeltjes absorbeerden nabij-infraroodlicht om het om te zetten in warmte-energie, waardoor een lokale temperatuurgradiënt ontstond. De temperatuurgradiënt induceerde een convectieve stroom om de deeltjes naar boven te voeren en zich te verzamelen in een collectief met een verbeterd fotothermisch effect. Dit resulteerde in het behoud van een dynamisch stabiele entiteit, zonder uiteen te vallen.

Bij afwezigheid van een nabij-infrarood optisch veld koelde het colloïdale collectief af met een verzwakte hydrodynamische kracht om geleidelijk onder de zwaartekracht te zinken.

Deze monsters pasten daarom het optische veld aan voor convectie en bereikten verticale opwaartse, zwevende en gerichte horizontale beweging. Omdat de hydrodynamische kracht groter was dan de zwaartekracht, duwde de convectie het collectief verticaal omhoog, waardoor het colloïdale collectief onder water kon zweven. Door het optische veld te reguleren, regisseerden Sun en het team de beweging van het colloïdcollectief en pasten hun posities onder water aan.

Overgangen door het lucht-watergrensvlak

De wetenschappers onderzochten het vermogen van het colloïdale collectief om door het wateroppervlak te breken met behulp van geïnduceerde convectiestroming; om aan te geven hoe de monsters met succes het water hebben verlaten door de oppervlaktespanning van het water te overwinnen.

De colloïdale collectieven overwonnen oppervlaktespanning en zwaartekracht voor goed gereguleerde overgangen door het wateroppervlak om op een gewenste locatie en tijd in water te duiken. De onderzoekers analyseerden de constructies door gebruik te maken van het drijfvermogen, de hydrodynamische kracht van convectie, oppervlaktespanning en zwaartekracht.

Adaptieve voortbeweging van het microrobotcollectief. (A) Illustratie van de collectieve voortbeweging van de microrobot onder water en op het lucht-water-grensvlak tussen 3D-obstakels. De microrobotcollectieven kunnen onder water bewegen, manoeuvreren op het wateroppervlak, in het water duiken en overgangen maken tussen het wateroppervlak en de onderwateromgeving. (B) Microrobotcollectief beweegt op het wateroppervlak onder het magnetische veld (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:10°). (C) Het microrobotcollectief klimt de watermeniscus op onder het optische veld. (D) Een collectief kruist een obstakel met een hoogte van 10 mm. (E) Het microrobotcollectief passeert een kanaal met een diameter van 2,5 mm (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:10°). (F) Het Microrobot-collectief steekt een opening over met een breedte van 10 mm en beklimt het hoge obstakel langs het water-lucht-grensvlak. [(A) tot (F)] Schaalbalken, 3 mm. Credit:Wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.adj4201

Sun en zijn team onderzochten deze effecten op conventionele microrobotcollectieven om ruimtelijk symmetrische interacties te introduceren voor voortbeweging onder water en op het wateroppervlak. Het team gebruikte magnetische en optische velden om de beweging van dergelijke microrobotcollectieven op het wateroppervlak aan te sturen, waar ze de watermeniscus beklommen voor transport aangedreven door een optisch veld. Dergelijke instrumenten, bekend als oppervlaktewandelaars, kunnen obstakels overbruggen die groter zijn dan hun eigen grootte en hoge barrières omzeilen voor toepassingen in de milieuwetenschappen, geneeskunde en techniek.

Vooruitzichten

Op deze manier werden Mengmeng Sun en collega's bio-geïnspireerd door de migratiemechanismen van plankton om colloïdale collectieven aan te drijven om zonder grenzen in de 3D-ruimte te bewegen. Het team combineerde magnetische en optische velden voor goed gevormde en gereguleerde 3D-voortbeweging van actieve colloïdale collectieven in een wateromgeving, met de gecombineerde optische en magnetische velden om 3D-voortbeweging te vergemakkelijken.

Deze sedimenten en colloïdale systemen bieden een krachtig proces om de fysica van zelfassemblage te onderzoeken en een praktische methode te ontwikkelen om functionele materialen te synthetiseren.

De levende systemen kunnen zelf-samengestelde colloïdale collectieven vormen onder externe magnetische velden, om structuren te creëren die door ruimtes en interfaces kunnen worden geleid, om ongebruikelijke geometrieën en patronen te bereiken.

Sun en zijn team zijn van plan deze collectieven en hun complexiteit voor materiaalsynthese en ontwerp te onderzoeken. Deze dual-responsieve constructies kunnen functioneren als microrobotcollectieven voor aanpassingsvermogen aan de omgeving met praktische toepassingen in biovloeistoffen met hoge viscositeit en hoge ionenconcentraties met brede toepassingen in de biomedische technologie.

Meer informatie: Mengmeng Sun et al., Bio-geïnspireerde, zelf-geassembleerde colloïdale collectieven die onder water in drie dimensies drijven, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4201

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

© 2023 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wiskunde stelt wetenschappers in staat de organisatie binnen een celkern te begrijpen
  2. 3D-analyse van hondenfossielen werpt licht op het debat over domesticatie
  3. Wetenschapsprojecten: een skelet maken
  4. Wil je een bluebottle-steek vermijden? Zo kun je voorspellen op welk strand ze zullen landen
  5. Sterfgevallen chimpansees in Oeganda toegeschreven aan menselijk verkoudheidsvirus
  6. We moeten de manier waarop antibiotica zich richten op bacteriën veranderen als we willen dat ze blijven werken
  7. Nucleïnezuren: structuur, functie, typen en voorbeelden
  8. Wat zijn de vier macromoleculen van het leven?
  9. Prokaryotische versus eukaryotische cellen: overeenkomsten en verschillen

Wetenschap