Forskare från Rice University har upptäckt vad som kan vara den enklaste formen av förflyttning i resor av partiklar i mikronskala kopplade och drivna av ett magnetfält.

I rislabbet av kemi- och biomolekylär ingenjör Sibani Lisa Biswal, forskare placerade magnetiserade sfärer av olika storlekar i en lösning. När de utsätts för ett "excentriskt magnetfält, " sfärerna självmonterade och de mindre sfärerna, fäst med virtuella gångjärn, spårade ojämna banor till ena sidan av deras större partners.

I huvudsak, de små pärlorna replikerade rörelsen hos en enarmad simmare som gjorde bröstsim. Forskarna fann att de kunde manipulera magnetfältet för att rikta simmare genom vätskan med nästan en mikron per minut. Förmågan kan så småningom göra dem lämpliga som transportmedel för droger.

Fenomenet är föremål för en artikel i tidskriften Royal Society of Chemistry Mjuk materia .

"Det har funnits ett stort intresse på senare tid för aktiv materia och system som visar kollektivt beteende, " sa Biswal. "Vi är vana vid att se detta i hur fåglar flockas eller bakterier svärmar, men nu kan vi se det i syntetiska material som också visar en förmåga att koppla ihop sig.

"Magnetiska fält har dykt upp som ett sätt att kunna driva partiklar för att göra några intressanta saker, " Hon sa.

Rice alumn och huvudförfattare Di (Daniel) Du upptäckte simmare medan de studerade hur paramagnetiska kolloidala partiklar reagerar på ett roterande magnetfält, ämnet för flera nya artiklar från Biswal-labbet.

"En dag insåg jag att några av dem simmar, " sa Du. "Jag var väldigt intresserad av det här, så jag undersökte detta specifika rörelsefenomen under lågt Reynolds-tal." Ett Reynolds-tal kvantifierar hur föremål rör sig i vätskor i förhållande till deras viskositet, han sa. "Så om du ser simning, det betyder att det är något på gång.

"Vi upptäckte att under vissa omständigheter, speciellt under ett excentrisk magnetfält, dessa partiklar samlas ihop till en simmare och det blir motiv, " sa Du.

Excentrisk betyder att det roterande magnetfältets brännpunkt inte är centrum för en kolloid utan rör sig runt dess omkrets. I deras experiment, forskarna fann att de kunde kontrollera den lilla partikelns omloppsbana genom att ändra strömförsörjningen till fyra datorstyrda elektromagneter som omger lösningen.

Partiklarna fästs endast av magnetfältet, ger den mindre frihet att röra sig i en simliknande rörelse med ett långt körslag och ett kort returslag. Forskarna kallade det bröstsim eftersom, som för mänskliga simmare, stroken kräver inte att den bryter ytan på lösningen.

För att hålla med temat, Du kallade de stora partiklarna "torsos" och de små "armar". Simmarnas förmåga att röra sig gjorde att han kunde hävda att de var ännu enklare än de "enklast möjliga simmare" designade av Nobelpristagaren Edward Purcell. Purcell designade teoretiska anordningar av tre styva stavar förbundna med två gångjärn, varje gångjärn representerar en frihetsgrad, och ansåg dem vara den enklaste konfigurationen för en enhet som kunde simma "om du flyttar gångjärnen på ett specificerat sätt, " sa Du.

"Men vårt är faktiskt enklare, " han sa, "eftersom jag minskade antalet stela komponenter från Purcells prototyp."

Du sa att experiment och simuleringar visade att simmare med flera bålar och armar kunde kontrolleras, även om deras hastighet varierade beroende på fältets styrka och – i simuleringarna – på Brownsk rörelse, den allestädes närvarande, slumpmässigt tryck och drag av molekyler i gaser och vätskor.

I tester med simmare med flera partiklar, Du sa, vissa armar skulle glida lite längre från bålen än andra. Eftersom denna "armfragmentering" påverkade simmarens hastighet, det hjälpte Du att skaka om teorier om hur partiklar reagerar på Brownsk rörelse.

"Först när det finns Brownsk rörelse ser vi denna fragmentering, " sade han. "Med Brownsk rörelse matchar våra simuleringar experimentella resultat; ibland får fragmentering simmare att simma långsammare, och ibland snabbare. Utan Brownsk rörelse, det är en enorm skillnad."

Tidigare studier om "kammusslingsteoremet" visade att Brownsk rörelse kan påverka sakers rörelse med fram- och återgående rörelse, som en pilgrimsmussla som helt enkelt öppnar och stängs utan att driva sig själv men ändå rör sig slumpmässigt. Armarna hos Dus simmare rör sig på ett icke-ömsesidigt sätt – körslaget är längre än returslaget – men han visade att deras hastighet också påverkas av Browns rörelse.

Du sa att det kommer att vara möjligt att fästa ligander eller proteiner till de stora partiklarna för leverans till celler eller andra biologiska platser, och hela fordonet kunde flyttas med två magnetspolar i 90 graders vinklar.

"På det sättet, simmare kan fungera som mikrorobotar, " han sa.