(Phys.org) —Forskare har utformat en ny typ av mikroutrustning som snurrar när mikromotorer fastnar i hörnen på redskapens tänder. Mikromotorerna använder den omgivande väteperoxidlösningen som bränsle för att driva sig framåt, vilket i sin tur gör att mikroutrustningarna snurrar. I framtiden, de små kugghjulen kan användas som byggstenar för tillverkning av autonoma mikromaskiner.

Forskarna, Claudio Maggi, et al., från Italien, Tyskland, och Spanien, har publicerat ett papper om mikroutrustningen i ett nyligen publicerat nummer av tidskriften Små .

"De moderna nanotekniska verktygen kan användas för att forma materia på mikron och nanoskala med en hög grad av strukturell och morfologisk kontroll, "Maggi, vid universitetet i Rom, berättade Phys.org . "Nyligen har forskare börjat undersöka möjliga strategier för att" ge liv "åt dessa strukturer och ge dem en mekanism för självdrivning. Hela ansträngningen med miniatyriseringsmaskiner blir värdelös, dock, om det fortfarande krävs stor och dyr utrustning för att köra och styra framdrivning i mikronskala. Av denna anledning, vi arbetar med att utveckla avancerade material, gemensamt kallad 'aktivt ämne, 'som kan omvandla någon inbäddad energikälla till riktad rörelse. "

De aktiva material som används här är mikromotorer i form av Januspartiklar. Som den tvåfasade romerska guden, Januspartiklar har två ytor, eller ytor, som ger dem en asymmetrisk karaktär. Här, ena sidan av varje 5 µm partikel är belagd med platina, så att när partiklarna är nedsänkta i en väteperoxidlösning, de rör sig i en riktning.

I en lösning som innehåller både Januspartiklar och passiva 8 µm mikroutrustning, några av de självgående Janus-partiklarna kolliderar med mikroutrustningarna. Januspartiklarna orienterar sig sedan autonomt så att deras drivriktning löper längs växlarnas sidor, och deras fart framåt låser dem på plats i växlarnas tänder. Upp till sex Janus -partiklar kan placeras i mikrohjulens sex tänder.

Denna strategi liknar tidigare metoder för att flytta mikroobjekt som använder kollektiv rörelse av bakterier eller syntetiska mikrosimmare. Dock, alla dessa tidigare metoder har krävt höga bakterier/mikrosimmarkoncentrationer och rört sig på ett mycket slumpmässigt sätt, vilket gör det svårt att kontrollera och återge rörelsen.

De största fördelarna med den nya metoden är att den fungerar med lägre partikelkoncentrationer och rörelsen är mycket deterministisk. Forskarna fann att mikroutrustningens rotationshastighet ökar linjärt när antalet Janus -partiklar som är låsta i växeln ökar från 1 till 3. Med 4 partiklar och längre, hastigheten planar ut och börjar sedan minska, vilket troligtvis beror på att de ytterligare Janus -partiklarna tömmer väteperoxidbränslet så att hastigheten på alla partiklar minskar.

"Vi har nu visat att aktiva Janus-kolloider kan självmonteras runt en mikrotillverkad rotor i reproducerbara konfigurationer med en hög grad av rumslig och orienteringsordning, "sa medförfattaren Roberto Di Leonardo vid Italiens nationella forskningsråd, och samordnaren för forskargruppen. "Samspelet mellan geometri och dynamiskt beteende leder till självmontering av autonoma mikromotorer utgående från slumpmässigt fördelade partiklar. Förutom att ha ett tydligt tekniskt intresse, våra resultat visar att förståelse av grundläggande aspekter av interaktioner i aktiva material öppnar vägen för mycket reproducerbara och kontrollerbara mikromaskiner för lab-on-chip-applikationer. "

I framtiden, forskarna planerar att undersöka hur justering av koncentrationen av väteperoxid kan användas för att kontrollera mikromotorernas rotationshastighet. Det är viktigt att kontrollera hastigheten för lab-on-chip mikromaskiner och andra applikationer.

Forskningen finansierades av två ERC Starting Grants och kombinerar de senaste framstegen inom katalytisk framdrivning (Grant nr. 311529) och statistisk mekanik för aktivt material (Grant nr. 307940).

© 2016 Phys.org