Forskare från fakulteten för fysik vid universitetet i Warszawa, ETH i Zürich och University of Cambridge har syntetiserat och analyserat aktiva mikropartiklar som driver sig själv i en vätska och vänder sin framdrivningsriktning beroende på våglängden för belysande ljus. En forskningsartikel som sammanfattar deras arbete har nyligen publicerats i Naturkommunikation .

Aktiv materia omfattar system med självgående element som drar energi från miljön och omvandlar den till rörelseenergi. Detta är för närvarande en livlig disciplin i fysik, sträcker sig över många tids- och längdskalor, rörande, t.ex., fåglarnas beteende i flockar (som sorl av murar), fiskeskolor (som en form av skydd mot rovdjur), och även bakterier i biofilmer och andra vattenmikrosimmare. Det fokuserar både på beteendet hos enskilda element och förstå deras mekanismer för energiomvandling, interaktion och koppling till miljön så viktig för överlevnaden, och om de kollektiva effekterna och framväxten av nya fenomen i stora befolkningar. Båda kan framgångsrikt beskrivas på olika nivåer av precision, utgående från förenklade minimala grovkorniga modeller, och upp till förfinade numeriska simuleringar.

Bakterie, alger, spermier, ciliater och andra encelliga organismer är en viktig grupp aktiva simmare. Att utforska den fysiska grunden för deras dynamik kompliceras ofta av deras enorma mångfald, biologisk komplexitet, och hög känslighet för yttre förhållanden. Vattenmikrovärlden är, dock, styrs av de universella lagarna för vätskedynamik, som sätter begränsningar för alla organismer.

På grund av deras små storlekar - mikrometer, vanligtvis - och simhastigheter som inte överstiger tiotals kroppslängder per sekund, flödet runt dem domineras av viskösa effekter. Detta innebär att hajarnas eller olympiska simmares simstrategier misslyckas fullständigt i mikroskala -tävling. Makroskalig simning är baserad på tröghet och trycker vattnet snabbt bakåt. I mikroskala, tröghetseffekter är försumbara och vatten beter sig som en mycket trögflytande vätska, som honung eller gyllene sirap. Tänk dig att bada i en pool fylld med honung - en krypning skulle vara mycket utmattande och mycket ineffektiv. Därav, simmikroorganismer har tagit fram andra strategier för framdrivning baserat på utnyttjande av viskositet. Bakterier har ofta spiralformade flageller, som de använder för att "skruva in" vätskan som en korkskruv. Det visar sig att i den viskösa mikrovärlden, denna strategi möjliggör effektiv rörelse. Större organismer, såsom ciliater (och Paramecium bland dem), har kroppar täckta med tusentals cilia, liknar litet hår. De flyttar dem på ett samordnat sätt, på samma sätt som en mexikansk våg på en stadion. Detta gör att vätskan kan dras längs cellytan, och som resultat, cellen driver i riktningen motsatt ciliärvågens utbredning.

Att förstå dessa mekanismer har inspirerat utvecklingen av ett nytt område av syntetiska mikrosimmare. Visionen om att designa mikroroboter i laboratorier har upphetsat forskare i många år på grund av de potentiellt breda tillämpningarna inom diagnostik, medicin och teknik, såsom riktad läkemedelsleverans inuti patientens kropp. Ur detta perspektiv, Det är mycket viktigt att inte bara utforma sådana simmare, men också för att styra deras rörelse.

Mekanismen utnyttjas också i flercelliga organismer, t.ex., cilia i mänskliga lungor och reproduktionsvägarna är avgörande för transport av slem. Och det har inspirerat ett antal simmare som använder fenomenet diffusiofores. För att förklara det, överväga exemplet på en Janus -partikel, inspirerad av den romerska guden med två ansikten. En typisk insikt är en sfärisk mikropartikel med ett halvklot täckt med guld, och den andra täckt med platina. När den placeras i en lösning av väteperoxid (H ₂ O ₂ ), platina sidan katalyserar sönderdelningen av peroxiden till vatten och syre. I resultat, koncentrationen av produkter av denna reaktion på platinahalvklotet ökar, och koncentrationsobalansen skapar flöde längs ytan. På samma sätt som simciliaterna, rörelse av vätskan längs ytan orsakar rörelse av cellen i motsatt riktning. Således, systemet omvandlar lokalt den omgivande kemiska energin till sin egen rörelseenergi. Mekanismen är universell, den viktigaste ingrediensen är den ojämna koncentrationen av reagensen på ytan. Dessutom, de kemiska gradienterna kan ersättas av en obalans i temperatur eller elektrostatisk potential. Alla dessa mekanismer har experimentellt bekräftats i mikroskopiska system. Det är värt att notera att de typiska storlekarna och simhastigheterna för dessa syntetiska simmare är jämförbara med deras biologiska inspirationer. Således, genom att utforska artificiellt aktivt material, forskare får en ytterligare inblick i simmikrovärlden.

Många framdrivningsmekanismer har föreslagits och är tillgängliga för syntetiskt aktivt material. Utmaningen återstår att styra en simmares rörelse, eller programmera det så att det kan nå en fördefinierad plats och t.ex. leverera ett läkemedel till en vald del av kroppen. Alternativt, det kan styras av en yttre stimulans, såsom elektromagnetisk strålning, elektriska eller magnetiska fält, ljudvågor, eller inhomogen temperatur.

Ett steg i denna riktning presenteras i den nya uppsatsen av forskare från Warszawas universitet, ETH i Zürich, och University of Cambridge, publicerades nyligen i Naturkommunikation . Det visar roman, modifierade Januspartiklar, rör sig i en vätska under påverkan av extern belysning, med rörelseriktningen beroende på våglängden för det infallande ljuset. Partiklarna med en diameter på 3,5 mikron var gjorda av anatas - en polymorf av titandioxid - med ett halvklot belagt med guld. När den lyser upp med grönt synligt ljus, partiklarna rör sig mot guldkåpan, när den utsätts för UV -ljus, de vänder sin rörelseriktning. Partiklarna syntetiserades av Dr Hanumantha Rao Vutukuri och prof. Jan Vermant vid ETH Zürich, där alla experimentella verk utfördes.

"Genom att ändra ljusets våglängd aktiverar vi olika katalytiska mekanismer på partikelytorna, genom vilket vi snabbt kan styra rörelsen på ett kontrollerat sätt, säger Dr. Maciej Lisicki från Fysiska fakulteten, University of Warsaw. "Dessutom, vi ser mycket intressant kollektiv dynamik:partiklarna kan attrahera eller avvisa varandra, beroende på deras relativa orientering och färgen på det lysande ljuset. Stämmer detta, vi observerar snabba fusions- och klyvningsprocesser, som vi kan styra. "

Beskrivningen av rörelse i ett sådant system kräver att man beaktar både de kemiska interaktionerna mellan partiklar även om deras inhomogena koncentrationsfält för reagensen skapas på deras ytor, såväl som det hydrodynamiska flödet som orsakas av deras närvaro. Den teoretiska modellen för att beskriva dynamiken i dessa nya aktiva partiklar konstruerades av Dr. Maciej Lisicki (Warszawa) och prof. Eric Lauga (Cambridge).

"I mikrometriska storlekar, vi tycker att vätskan runt partiklarna är mycket viskös, "säger Maciej Lisicki." Deras hydrodynamiska interaktioner är alltså långtgående. Varje partikels rörelse känns av alla andra. "

Forskarna, som har arbetat med tillämpningar av diffusiofores för syntesen av konstgjorda simmare och mikroskala pumpning länge nu, tror att denna roman, reversibel och kontrollerad mekanism för självdrivning för Januspartiklar är ett steg mot mer komplexa mikrorobotar som så småningom kommer att kunna transportera last i cellskala. Det kan också användas för att styra kollektiv rörelse i mikroskala genom lokal ljusinducerad omrörning i suspensioner av aktiva partiklar och blandningar av aktiva och passiva kolloider suspenderade i en vätska.