Konceptuell design för optisk körning och styrning av opto-termoelektriska mikrosimmare. (a) Under ljusa fält, PS/Au Janus -partiklar är inställda på att simma och rotera alternativt för att följa en fördefinierad väg. (b) Vid lätt bestrålning på en Januspartikel, en temperaturgradient ∇T som pekar från PS -sidan till Au -sidan genereras på partikelytan på grund av den asymmetriska absorptionen av PS och Au. (c) När Janus -partikeln dispergerats i en 0,2 mM CTAC -lösning, ett termoelektriskt fält induceras för att driva Janus -partikeln längs temperaturgradienten. De vita "+" symbolerna indikerar den positivt laddade ytan. I B, c, den asymmetriska uppvärmningen och det termoelektriska fältet under en defokuserad laserstråle visas i X -Z -planet. (d) Schematisk illustration och e asymmetrisk uppvärmning av Janus -partikeln när den är inställd på att rotera (som visas med rödbrun pil) i X -Y -planet med en annan fokuserad laserstråle (indikeras av det gröna området omgivet av en streckad cirkel). I d, e, den defokuserade laserstrålen är avstängd Credit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
I en ny rapport, Xiaolei Peng och ett team av forskare inom materialvetenskap och teknik vid University of Texas, USA, och Tsinghua University, Kina, utvecklat opto-termoelektriska mikrosimmare som är bioinspirerade av rörelsebeteenden hos Escherichia coli (E. coli). De konstruerade mikrosimmarna med hjälp av dielektriska guld Janus-partiklar som drivs av ett självbärande elektriskt fält som härrör från partiklarnas optotermiska svar. När de belyste konstruktionerna med en laserstråle, Januspartiklarna uppvisade en optiskt genererad temperaturgradient längs partikelytorna, bildar ett opto-termoelektriskt fält för att driva sig fram.
Teamet upptäckte simriktningen för mikrosimmare baserat på partikelns orientering. De föreslog ett nytt optomekaniskt tillvägagångssätt för att förstå navigationsriktningen för mikrosimmare som förlitade sig på ett temperaturgradientinducerat elektriskt fält, med hjälp av en fokuserad laserstråle. Genom att tajma den andra rotationslaserstrålen i installationen, de placerade partiklarna i vilken önskad orientering som helst för att effektivt styra simriktningen. Med hjälp av mörkfältoptisk avbildning och en algoritm för återkopplingskontroll underlättade forskarna automatiserad framdrivning av mikrosimmare. De opto-termoelektriska mikrosimmarna kommer att ha tillämpningar i kolloidala system, riktad läkemedelsleverans och biomedicinsk avkänning. Forskningen är nu publicerad i Nature Light:Science &Applications .
Mikrosimmare
Mikrosimmare är en klass av mikromaskiner som kan omvandla yttre kemikalier, akustisk eller elektromagnetisk energi till simrörelse. Sådana maskiner kan användas för olika biomedicinska tillämpningar, allt från målinriktad läkemedelsleverans till precisionsnano-kirurgi och diagnostisk avkänning. I det här arbetet, Peng et al. använde alla optiska mikrosimmare baserade på Janus-partiklar i ett optotermiskt genererat elektriskt fält för att bygga opto-termoelektriska mikrosimmare som efterliknade E.-coli-cellernas "kör-och-tumla" -rörelse. I sin verkningsmekanism, den asymmetriska ljusabsorptionen av en Januspartikel under laserstrålbestrålning orsakade en självgenererad temperaturgradient för ett resulterande opto-termoelektriskt fält som drev partikeln framåt. Forskarna drev processen med två laserstrålar, där den andra fokuserade laserstrålen utlöste rotationen i planet av enskilda Janus-partiklar under optisk uppvärmning. Teamet uppnådde stabil partikelrotation på grund av den termoelektriska kraften, optisk kraft och stokes dragkraft i installationen. Peng et al. undersökte ytterligare arbetsmekanismerna genom att koppla experiment med teori och simuleringar.
En simmande 2,1 um PS/Au Janus -partikel i 0,2 mM CTAC (cetyltrimetylammoniumklorid) lösning. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5 
För att underlätta foton-till-fonon (ljus till ljud) energiomvandling, laget utvecklade opto-termoelektriska simmare genom att halvbelägga ett tunt guld (Au) lager på ytan av polystyren (PS) pärlor. Vid lätt bestrålning, absorptionsskillnaden mellan PS och Au skapade en temperaturgradient på PS/Au Janus -partikelytan. Peng et al. sprider Januspartiklarna i en vattenlösning för att omvandla den termiska energin till mekanisk energi. När den drivs av det termoelektriska fältet och bestrålas av en laserstråle, Januspartiklarna vandrade längs PS-till-Au-riktningen för att demonstrera simningstillståndet. Dock, termiska fluktuationer kan förändra Janus -partiklarnas orientering och få dem att glida bort från sina kurser under migration. För att behålla målkursen, forskarna stängde av den defokuserade laserstrålen och använde en fokuserad laserstråle för att rotera och fånga Januspartiklar för omorientering. När de nått sin avsedda orientering, de stängde av den fokuserade laserstrålen och återförde Janus -partiklarna till den defokuserade laserstrålen för att föra dem tillbaka till simningstillståndet. Denna omkopplingsprocess med två tillstånd gav bästa möjliga design för att aktivt navigera i mikrosimmare för en mängd olika funktioner.
Opto-termoelektrisk simning av PS/Au Janus-partiklar under en defokuserad laserstråle. (a) Schematisk illustration av simmekanismen. Hastigheten riktas från PS-halvklotet till det Au-belagda halvklotet. (b) Simhastighet som funktion av den optiska effekten för 5 µm PS/Au Janus -partiklar. En 660 nm laserstråle med en strålstorlek på 31 µm applicerades för att driva simningen. (c) Tidsupplösta bilder av en simmande 2,1 µm PS/Au-partikel. En 1064 nm laserstråle med en strålstorlek på 31 µm och en effekt på 32 mW applicerades för att driva simningen. (d) Simhastighet som funktion av den optiska effekten för 2,1 µm PS/Au Janus -partiklar. Två olika laserstrålar, d.v.s. en 1064 nm laserstråle med en strålstorlek på 45 µm och en 660 nm laserstråle med en strålstorlek på 45 µm, tillämpades för att driva simningen. Insatserna för b, d visa en PS/Au Janus -partikel som drivs för att simma under en defokuserad laserstråle. Alla ovannämnda strålstorlekar erhölls genom experimentell mätning. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Opto-termoelektrisk simning och orienteringskontroll
När Peng et al. använde en defokuserad laserstråle för riktad rörelse av opto-termoelektriska mikrosimmare, de uppnådde en "energipool" för Januspartiklarna. De kallade rörelsen längs den självgenererade temperaturgradienten som självtermophores. I den omgivande lösningen av cetyltrimetylammoniumklorid (CTAC), själv-termofores uppstod från termoelektriska effekter för att möjliggöra partiklarnas karaktäristiska rörelse. Teamet kunde minska kammartjockleken i den experimentella installationen för att stabilisera det fluidiska flödet och underlätta riktad transport av Janus -partiklar. Eftersom orienteringen av Januspartiklar kan slumpmässigt ändras genom termiska fluktuationer, laget använde en andra fokuserad laserstråle för att uppnå partikelrotation för att effektivt navigera i simriktningen. De uppnådde detta genom att byta laserstrålar för att kvantitativt analysera den roterande Janus-partikeln och extrahera deras position i realtid, samt orienteringsdata.
När lasereffekten ökade, partikelrotationen ökade också, även om fortsatt ökad lasereffekt orsakade starka värmeeffekter och termiska skador på Januspartikeln. Rotationshastigheten var beroende av partikelstorleken. För att förstå den termoelektriska kraften, Peng et al. simulerade temperaturfördelningen på PS/Au Janus -partiklarnas ytor. Sedan beräknade de den termoelektriska kraften och den optiska kraften för att förstå rotationsdynamiken. Teamet genomförde ytterligare undersökningar för att förstå Janus-partikelns självjusteringsbeteende.
Orienteringskontroll av PS/Au Janus -partiklar med en fokuserad laserstråle. (a) Konfiguration och (b) motsvarande mörkerfältbild av en ledig 2,7 µm PS/Au Janus-partikel i X-Z-planet. (c) Konfiguration och (d) motsvarande mörkerfältbild av en roterande 2,7 µm PS/Au Janus-partikel i X-Z-planet. (e) Tidsupplösta mörkerfältbilder av rotationen av en 2,7 µm PS/Au Janus-partikel. Halvcyan, halvgyllene partiklar i insatserna illustrerar motsvarande konfigurationer, medan de rödbruna pilarna i infällningarna illustrerar riktningarna. Den gröna fläcken i insatserna representerar laserstrålen (med en våglängd på 532 nm). (f) Förskjutning av mitten av 2,7 µm Janus -partikeln som en funktion av tiden. Mitten av strålen är inställd som koordinaternas ursprung. De passande sinusformade kurvorna indikerar en cirkulär rotation. (g) Orienteringsutveckling av Janus -partikeln på 2,7 µm som funktion av tiden. Passande sågtandvåg indikerar en konsekvent styrning av orienteringen. (h) Rotationshastighet som funktion av den optiska effekten för 2,7 µm PS/Au Janus -partiklar. I annons, för en gratis Janus -partikel, ingen gräns vid partikelhemisfären observerades i den mörka fältets optiska bild eftersom den Au-belagda delen tenderade att anpassa sig till gravitationens riktning. I kontrast, när rotationen i planet av Januspartikeln initierades, PS-Au-gränssnittet blev vinkelrätt mot substratet på grund av den koordinerade effekten av den termoelektriska kraften och den optiska kraften. En asymmetrisk ring observerades i den mörka fältets optiska bild, med den ljusare halvringen motsvarande Au-beläggningen på grund av dess starkare optiska spridning. Insatsen illustrerar rotationen under en grön laserstråle (med en våglängd på 532 nm). Laserstrålens storlek på provplanet är 2,65 µm för e, h. En effekt på 1,9 mW applicerades för rotation i (e) Orienteringskontroll av PS/Au Janus -partiklar med en fokuserad laserstråle. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Feedbackkontrollmetod
Teamet upprättade sedan en återkopplingsalgoritm för att underlätta aktiv navigering och styra Januspartiklarnas simriktning. För att åstadkomma sluten kontroll, de utvecklade ett datorprogram för att spåra realtidspositionen och orienteringen för en given Janus-partikel och samordnade automatiskt styrsystemet. I den experimentella inställningen, två datorstyrda fönsterluckor dikterade på/av-tillstånden för två individuella laserstrålar. Forskarna körde framgångsrikt simning av Januspartiklar, där en ökning av rotationshastigheten minskade kontrollnoggrannheten för simriktningen. För att redogöra för detta, Peng et al. använde en kamera med högre bildhastighet laddad kopplad enhet (CCD) för att avsevärt förbättra precisionen för återkopplingskontroll. De demonstrerade sedan aktiv navigering av PS/Au Janus-partiklarna med hjälp av feedbackkontrollalgoritmen för riktad transport av opto-termoelektriska simmare. Arbetet indikerade potentialen hos opto-termoelektriska mikrosimmare att bära läkemedelsmolekyler och icke-metalliska delar för exakt leverans med potentiella tillämpningar vid riktad nano/mikro-läkemedelsleverans.
Riktad simning och riktad transport av PS/Au Janus -partiklar med en feedbackkontrollmetod. (a) Schematisk illustration av riktad simning med feedbackkontroll på de experimentellt inspelade bilderna, där en fokuserad grön laserstråle och en defokuserad röd laserstråle användes för att navigera och driva simningen, respektive. (b) Flödesschema för feedbackkontrollmetoden. (c) Optisk installation och mekanisk layout för feedbackkontrollmetoden. (d) Banor med 5 µm PS/Au Janus -partiklar som simmar i olika riktningar. (e) Riktad leverans av en 5 µm PS/Au Janus -partikel till en 10 µm PS -partikel. En 5 µm 532 nm laserstråle med en effekt på 2,6 mW användes för att driva rotationen, medan en 660 nm laserstråle med en strålstorlek på 31 µm och en effekt på 160–200 mW applicerades för att driva simningen. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
På det här sättet, Xiaolei Peng och kollegor utvecklade opto-termoelektriska mikrosimmare med heloptisk aktivering och navigering. De uppnådde detta genom att utnyttja opto-termoelektrisk koppling av Janus-partiklarna. Värmen som genereras av de ljusbestrålade Janus-partiklarna skapade ett termoelektriskt fält för att driva partiklarna i en specifik riktning utan kemiskt bränsle. De använde en fokuserad laserstråle för att styra mikrosimmarnas orientering och kontrollerade rotationen av Januspartiklar med en andra stråle. Mekanismen kan vidare utforskas för att utveckla intelligenta mikroroboter för flera uppgifter inom biomedicin.
© 2020 Science X Network
