Som småskaliga lego som klickar på plats, naturen sätter självständigt ihop mikroskopiska byggstenar. Levande system är biokemiska maskiner som utmärker sig när det gäller att bygga och flytta sina delar. Precis som maskiner behöver energi i någon form för att fungera, levande system får energi genom att konsumera "bränsle" - ämnen eller mat - på ett tillförlitligt sätt. Människokroppen, till exempel, drar ihop muskler genom rörelsen av små nanomotorer - molekylära enheter som omvandlar energi på nanoskala för att generera rörelse på makroskala. Förmågan att efterlikna naturens självmontering skulle revolutionera vetenskapens inställning till att syntetisera material som kan läka, kontraktera eller konfigurera om.
För att utforska denna potentiella mimik, University of California San Diego biträdande professor i fysik Jeremie Palacci och postdoktor Antoine Aubret, tillsammans med professor Stefano Sacanna och hans team vid New York University, introducerade ett nytt tillvägagångssätt för att montera specialdesignade mikroskopiska block till små kugghjulsliknande maskiner. Deras forskningsresultat beskrivs i en artikel med titeln, "Riktad montering och synkronisering av självsnurrande mikroväxlar, publicerades den 23 juli online i Naturfysik .
"Detta är ett första viktigt steg i vad vi kan bygga syntetiskt för att efterlikna levande system, " noterade Palacci.
Byggstenarna är självdrivna mikropartiklar som driver efter att ha aktiverats av ljus. Forskarna specialdesignade dem för att autonomt känna av ljusgradienter och navigera i ljusmönster. Detta leder till deras anmärkningsvärda montering till endast en typ av maskin – en självformande, spinnande mikroredskap som består av sju sådana mikropartiklar - en "maskin gjord av maskiner."
Som en mjuk kondenserad materia, experimentell fysiker Palacci sa att teamet satte ihop mikroväxlarna till mer sofistikerade motiv och större maskiner, synkroniserar som mekaniska växlar, trots att de inte har kontakt.
"Det här är inte magi, självklart, men fysik, ", sa Palacci. "Kugghjulen känner varandra och samverkar genom bränslet de förbrukar och vätskan de rör sig."
Aubret sa att det var spännande att se vad som kunde göras när det gäller självmontering med två enkla ingredienser:lätta signaler och en väldesignad byggsten.
"Istället för att plocka partiklarna en efter en, vi har precis lagt över ljusmönster med vår optiska inställning, och låt partiklarna och rotorerna göra jobbet, " förklarade han. "Självklart, det har varit mycket jobb att komma hit, men det här är bara början på historien. Det öppnar nya vägar för vår forskning, och vi hoppas att vi kan klättra upp ännu längre i hierarkin av självmonterande processer."
Enligt Germano Iannacchione, NSF programchef som övervakade Palaccis anslag, Målet med forskning om mjuk materia är inte bara att förstå de grundläggande principerna som styr detta livfulla och mångsidiga vetenskapsområde, men också att översätta dessa principer till sätt att kontrollera materien på nya sätt.
"Den spännande delen av detta arbete är upptäckten av hur man kontrollerar och sätter ihop små partiklar till större, designade strukturer som sedan kan manipuleras med hjälp av ljus. Denna forskning är ett vackert exempel på att göra en liten protomaskin som du aldrig ens rör vid, sa Iannacchione.
