Hanterar mycket mjukt, känsliga föremål utan att skada dem är tillräckligt svårt med människors händer, än mindre att göra det i mikroskopisk skala med laboratorieinstrument. Tre nya studier visar hur forskare har finslipat en teknik för att hantera små, mjuka partiklar med exakt kontrollerade vätskeflöden som fungerar som skonsamma mikroskopiska händer. Tekniken gör det möjligt för forskare att testa de fysiska gränserna för dessa mjuka partiklar och saker som gjorts av dem - allt från biologiska vävnader till mjukgörare.

De tre studierna, ledd av University of Illinois Charles Schroeder, Ray and Beverly Mentzer fakultetsvetare i kemisk och biomolekylär teknik, beskriv tekniken och tillämpningen av Stokes -fällan - en metod för att manipulera små partiklar med endast vätskeflöde. I den nyaste studien, publicerad i tidningen Mjuk materia , laget använde Stokes-fällan för att studera dynamiken i vesiklar-squishy vätskefyllda partiklar som är avskalade versioner av celler och har direkt relevans för biologiska system, sa forskarna. Detta följer upp två senaste studier i tidskrifterna Fysiska granskningsvätskor och Fysisk granskning tillämpad som utökade infångningsmetodens kraft.

"Det finns flera andra tekniker tillgängliga för att manipulera små partiklar, såsom den allmänt använda och nobelprisvinnande optiska fällmetoden som använder noggrant inriktade lasrar för att fånga partiklar, "sade Dinesh Kumar, en kemisk och biomolekylär ingenjörsexamen och huvudförfattare till två av studierna. "Stokes -fällan erbjuder flera fördelar jämfört med andra metoder, inklusive enkelhet att skala upp för att studera flera partiklar och förmågan att styra orienteringen och banorna för olika formpartiklar som stavar eller sfärer. "

Beväpnad med den förbättrade Stokes trap -tekniken, laget bestämde sig för att förstå dynamiken i lipidvesiklar när de är långt från sitt normala jämviktstillstånd.

"Vi ville förstå vad som händer med dessa partiklar när de dras in i ett starkt flöde, "Sa Schroeder." I verkliga applikationer, dessa material töjs när de interagerar med varandra; de bearbetas, injiceras och genomgår ständigt påfrestningar som leder till deformation. Hur de agerar när de deformeras har viktiga konsekvenser för deras användning, långsiktig stabilitet och bearbetbarhet. "

"Vi fann att när vesiklar deformeras i ett starkt flöde, de sträcker sig i en av tre olika former - symmetrisk hantel, asymmetrisk hantel eller ellipsoid form, "Kumar sa." Vi observerade att dessa formövergångar är oberoende av viskositetsskillnaden för vätskorna mellan vesikels inre och yttre. Detta visar att Stokes -fällan är ett effektivt sätt att mäta stretchdynamik för mjuka material i lösning och långt ifrån jämvikt. "

Med sina nya uppgifter, laget kunde ta fram ett fasdiagram som kan användas av forskare för att avgöra hur vissa typer av vätskeflöde kommer att påverka deformation och, i sista hand, de fysiska egenskaperna hos mjuka partiklar när de dras från olika flödesriktningar.

"Till exempel, produkter som tygmjukgörare - som består av vesikelsuspensioner - fungerar inte korrekt när de klumpar ihop sig, "Sa Kumar." Med Stokes -fällan, vi kan ta reda på vilka typer av partikelinteraktioner som får vesiklarna att aggregera och sedan designa ett material med bättre prestanda. "

Tekniken är för närvarande begränsad av storleken på partiklar som Stokes -fällan kan fånga och hantera, sa forskarna. De arbetar med partiklar som i allmänhet är större än 100 nanometer i diameter, men för att denna teknik ska kunna tillämpas mer direkt på biologiska system, de kommer att behöva kunna ta tag i partiklar som är 10 till 20 nanometer i diameter - eller till och med ner till ett enda protein.

Teamet arbetar för närvarande med att fånga upp mindre partiklar och samarbetar med kollegor vid Stanford University för att tillämpa Stokes -fällan för att studera membranproteiner.