Автор AZoNano 30 июня 2021 г.

Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере обнаружили, что крохотные самодвижущиеся частицы, называемые наноплавателями, могут вылетать из лабиринтов в 20 раз быстрее, чем другие, пассивные частицы, что открывает путь к их использованию во всем, начиная с промышленных от уборки до доставки лекарств.

Результаты, опубликованные на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences описывают, насколько эти крошечные синтетические нанороботы невероятно эффективны при побеге из полостей в лабиринтной среде. Эти наноплавательные средства однажды можно будет использовать для восстановления загрязненной почвы, улучшения фильтрации воды или даже для доставки лекарств в определенные участки тела, например, в плотные ткани.

«Это открытие совершенно нового явления, которое указывает на широкий диапазон потенциальных применений», – сказал Дэниел Шварц, старший автор статьи, и профессор химических и биологических наук Гленна Л. Мерфи. инженерное дело.

Эти нанопловцы привлекли внимание сообщества теоретиков-физиков около 20 лет назад, и, по словам Шварца, люди придумали множество реальных приложений. Но, к сожалению, эти ощутимые приложения еще не реализованы, отчасти потому, что до сих пор было довольно сложно наблюдать и моделировать их движение в соответствующих средах.

Эти нанопловцы, также называемые частицами Януса (названные в честь римского двуглавого бога), представляют собой крошечные сферические частицы, состоящие из полимера или кремнезема, обладающие различными химическими свойствами на каждой стороне сферы. Одно полушарие способствует протеканию химических реакций, а другое – нет. Это создает химическое поле, которое позволяет частице брать энергию из окружающей среды и преобразовывать ее в направленное движение – также известное как самодвижение.

«В биологии и живых организмах движение клеток является доминирующим механизмом, вызывающим движение, и тем не менее, в инженерных приложениях он используется редко. Наша работа предполагает, что мы можем многое сделать с помощью себя. двигательная установка », сказал Шварц.

Напротив, пассивные частицы, которые перемещаются беспорядочно (вид движения, известный как броуновское движение), известны как броуновские частицы. Они названы в честь ученого 19 века Роберта Брауна, изучавшего такие вещи, как беспорядочное движение взвешенных в воде пыльцевых зерен.

Для этого исследования исследователи преобразовали эти пассивные броуновские частицы в частицы Януса (наноплаватели). Затем они заставили эти самоходные наноплаватели попытаться пройти через лабиринт, сделанный из пористой среды, и сравнили, насколько эффективно и действенно они находили пути отхода по сравнению с пассивными броуновскими частицами.

Результаты были шокирующими даже для исследователей.

Частицы Януса были невероятно эффективны при выходе из полостей внутри лабиринта – в 20 раз быстрее, чем броуновские частицы – потому что они стратегически перемещались вдоль стенок полости в поисках дыр, что позволяло им очень быстро находить выходы. . Их самодвижение также давало им заряд энергии, необходимый для прохождения выходных отверстий в лабиринте.

«Мы знаем, что у нас есть много применений для нанороботов, особенно в очень замкнутых средах, но мы действительно не знали, как они движутся и каковы преимущества по сравнению с традиционными броуновскими частицами. Вот почему мы начали сравнение этих двух », сказал Хайчао Ву, ведущий автор статьи и аспирант в области химической и биологической инженерии. «И мы обнаружили, что наноплаватели могут использовать совершенно другой способ поиска в этих лабиринтах».

Хотя эти частицы невероятно малы, около 250 нанометров – чуть шире человеческого волоса (160 нанометров), но все же намного, намного меньше булавочной головки (1-2 миллиметра) – работа масштабируема. Это означает, что эти частицы могут перемещаться и проникать в такие микроскопические пространства, как человеческая ткань, для перевозки грузов и доставки лекарств, а также через почву под землей или песчаные пляжи для удаления нежелательных загрязнителей.

Роевые наноплаватели

Следующим шагом в этом направлении исследований является понимание того, как нанопловцы ведут себя в группах в замкнутой среде или в сочетании с пассивными частицами.

«В открытой среде наноплаватели, как известно, демонстрируют эмерджентное поведение – поведение, которое является чем-то большим, чем сумма его частей, – которое имитирует движение стаи птиц или стаи рыб. импульса для их изучения ", – сказал Шварц.

Одним из основных препятствий на пути к достижению этой цели является трудность, связанная с возможностью наблюдать и понимать трехмерное движение этих крошечных частиц глубоко внутри материала, содержащего сложные взаимосвязанные пространства.

Ву преодолел это препятствие, используя жидкость с показателем преломления в пористой среде, которая является жидкостью, которая влияет на скорость прохождения света через материал. Это сделало лабиринт практически невидимым, а также позволило наблюдать за движением трехмерных частиц с помощью метода, известного как микроскопия с функцией рассеяния точки двойной спирали.

Это позволило Ву отслеживать трехмерные траектории частиц и создавать визуальные представления, что является значительным достижением по сравнению с типичным 2D-моделированием наночастиц. Без этого прогресса было бы невозможно лучше понять передвижения и поведение отдельных людей или групп наноплавателей.

«Этот документ является первым шагом: он предоставляет модельную систему и платформу визуализации, которая позволяет нам ответить на эти вопросы», – сказал Ву. «Следующим шагом будет использование этой модели с большей популяцией нанопловцов, чтобы изучить, как они могут взаимодействовать друг с другом в замкнутой среде».

Бенджамин Грейданус из Департамента химической и биологической инженерии в CU Boulder является соавтором этой публикации.

Источник: https://www.colorado.edu/