15 июля 2021 года

Группа ученых обнаружила, как тяжелые моторизованные объекты поднимаются по крутым склонам – недавно открытый механизм, который также имитирует то, как скалолазы преодолевают подъемы.

Результаты, опубликованные в журнале Soft Matter являются результатом серии экспериментов, в которых моторизованные объекты помещались в жидкость, а затем перемещались вверх по наклонным поверхностям.

«Эти« микропловцы »примерно в 20 раз тяжелее жидкости, в которой они плавают, но они могли подниматься по крутым склонам, которые почти вертикальны», объясняет Цзюнь Чжан, один из авторов статьи. авторов и профессора физики и математики Института математических наук Куранта Нью-Йоркского университета и Шанхайского университета Нью-Йорка

Работа расширяет наше понимание «гравитаксиса» – направленного движения в ответ на гравитацию. Это явление необходимо учитывать не только в инженерии, но и в медицине и фармацевтике. Это частично объясняет, как бактерии перемещаются по телу, и дает представление о способах создания более эффективных механизмов доставки лекарств.

В исследовании Soft Matter ученые создали пловцов, или наностержней, длина которых составляет примерно 1/40 ширины пряди человеческого волоса. Этим моторизованным пловцам было поручено подняться по наклонной поверхности, будучи погруженными в жидкий раствор внутри контейнера с стенками. Пловцы состояли из двух типов металлов – золота и родия, а также золота и платины – состав, который придавал им несбалансированную плотность, учитывая различный вес этих металлов.

Состав пловцов, жидкая среда и расположение поверхностей позволяли им двигаться вверх, несмотря на их значительный вес.

«Эти двигатели переориентируются вверх против силы тяжести благодаря дисбалансу плотности – так же, как качели переориентируются в ответ на движение и вес своих мотоциклистов», добавляет Майкл Шелли, профессор Куранта и директор Центра вычислительной биологии Института Флэтайрон «Гидродинамический эффект усиливает это движение – плавание рядом со стеной дает больший крутящий момент при перемещении корпусов двигателей вверх. Это важно, потому что микроскопический мир шумный – для двигателя всегда два шага вверх и один шаг вниз – -и больший крутящий момент улучшает их способность двигаться по вертикали ».

В предыдущей работе, опубликованной в Physical Review Letters, Чжан, Шелли и их коллеги создали «наномоторы» для обнаружения эффективных средств передвижения против токов. Новое исследование расширяет эти результаты, показывая, как тяжелые объекты могут перемещаться по круто наклонным поверхностям, предлагая еще более сложные маневры.

«Теперь, когда эти микропловцы могут подниматься по очень крутым склонам против силы тяжести, мы можем рассчитывать на выполнение еще более сложных заданий», замечает Чжан. «Будущие усовершенствованные двигатели будут спроектированы так, чтобы достигать целевых точек и выполнять определенные функции».

Среди других соавторов исследования были Квентин Бросо, научный сотрудник Института Куранта на момент исследования, Ян Ву, докторант химического факультета Нью-Йоркского университета, Майкл Уорд, профессор кафедры химии Нью-Йоркского университета. Химии, Лейф Ристроф, доцент Института Куранта, Флоренсио Бальбоа Усабиага из Института Флэтайрон и Энкелейда Луши из Технологического института Нью-Джерси

Эта работа была поддержана программой MRSEC Национального научного фонда (DMR-1420073), а также грантами NSF DMS-RTG-1646339, DMS-1463962 и DMS-1620331.

Источник: https://www.nyu.edu/