Utvecklingen av självgående mikro- och nanomaskiner som kan efterlikna människokroppens och/eller den naturliga miljöns intrikata inre funktion har fångat fantasin hos ett ständigt växande forskarsamhälle sedan millennieskiftet. Det är tänkt att dessa enheter kommer att spela en viktig roll inom nanomedicin och miljösanering.

En av de största utmaningarna för forskare ligger i strävan efter effektiva sätt att driva dessa maskiner utan att använda externa källor. Studier under det senaste decenniet eller så har producerat provsatser av motorer som kan fånga, transportera och leverera laster, eller känna av och neutralisera kemiska eller biokemiska föroreningar, bland många andra uppgifter. Dock, förståelsen för de exakta mekanismerna som orsakar dessa handlingar är begränsad.

Frågan är hur man studerar de fysiokemiska reaktionerna och andra fenomen som uppstår i ett objekt som sicksackar överallt genom ett vattenmedium. Den första mikromotorn som konstruerades redan 2004 kallades för en "simmare". Men om du håller en simmare på plats, samma egenskaper som annars skulle få den att röra sig genom vätskan kommer att få vätskan att röra sig genom den, förvandla den till en pump. Observationerna av sådana "mikropumpar" kan sedan extrapoleras för att få en bättre förståelse av mikromotorer.

Från denna utgångspunkt, forskare från ICN2 Force Probe Microscopy and Surface Nanoengineering Group ledd av Dr. Jordi Fraxedas har utvecklat en uppsättning tekniker som ger djupare analys av nyckelparametrarna som påverkar detta beteende. Med ytterligare stöd från Prof. Dr. David Reguera från University of Barcelona och Dr. Borja Sepúlveda Martínez från ICN2 Magnetic Nanostructures Group, de tittar på hur det komplexa samspelet mellan ytkemi, kemiska gradienter, och elektriska och flytande fält översätts till rörelse, och hur kunskapen som samlats in kan användas för att ställa in beteendet hos framtida mikromotorer. Beskrivs i deras artikel "Utreda de operativa mekanismerna för kemiskt framdrivna motorer med mikropumpar, " publicerades i september i Räkenskaper för kemisk forskning , de rapporterar ytkemi, zetapotential och ytjämnhet vara viktiga faktorer för att styra rörelseriktningen och styrkan hos olika typer av mikromotorer.

Huvudförfattaren Dr María José Esplandiu förklarar hur dessa fynd är viktiga inte bara för att utnyttja den fulla potentialen i mikro- och nanomotorisk teknik, men också för att förstå naturen:"Som många levande organismer, mikromotorer är kända för att uppvisa kollektivt beteende, vilket innebär att de samarbetar, spara energi och utföra uppgifter mer effektivt." Gäss som flyger i en V-formation, svärmintelligens hos myror och bin, och cellsvar på infektion eller skada svarar alla på denna princip, fungerar i så kallade system för aktiv materia.

Hittills, dessa system är dåligt förstådda ur ett vetenskapligt perspektiv. Konstgjorda mikromaskiner kan potentiellt kasta lite ljus:"Genom att karakterisera och isolera vilka parametrar som översätts till vilken mekanisk effekt på nivån för den individuella mikromotorn, vi kan förutsäga och kontrollera beteendet hos en grupp mikromotorer och sätta dem på vägen för ett visst kollektivt beteende. Detta kan ge insikter om dessa processer i levande organismer."

I deras papper, laget tar ett kombinerat experimentellt och teoretiskt tillvägagångssätt för analys av två typer av pumpar - bimetallisk, och metall och halvledande - presenterar entydiga data om driftsmekanismerna för dessa kemiskt drivna motorer.