Leiden-fysiker utnyttjar självmontering av små partiklar för att en dag skapa funktionella strukturer som mikrorobotar från botten och upp. Nu tog man ett viktigt steg framåt genom att experimentellt realisera fogar på mikrometerskalan. Studien publiceras i Nanoskala tidning.

Mikrometerstora robotar har stor potential, till exempel inom medicin, eftersom de kan leverera läkemedel lokalt eller utföra exakta operationer. Forskare letar därför efter sätt att utveckla robotar i denna miniatyrskala. Dock, vid tillverkning av allt mindre versioner av funktionella enheter, man stöter snabbt på begränsningar. Därför, Leidens fysiker Daniela Kraft arbetar tvärtom:nerifrån och upp istället för uppifrån och ner. Hon använder partiklar runt en mikrometer-så kallade kolloider-som delar. På grund av deras lilla storlek, kolloider har den extra fördelen att kontinuerligt röra sig i slumpmässiga riktningar, vilket gör att strukturerna kan bygga sig själva.

Skarvar

Även om det redan är utmanande att skapa de olika delarna – som kuber, trianglar, och hantlar – och kombinera dem på önskat sätt, de resulterande föremålen är vanligtvis stela. Om du drömmer om att skapa en fullt fungerande mikrorobot, du behöver också delar som tillåter rörelse:leder. Nu för första gången, Kraft och hennes forskargrupp har lyckats göra tre olika typer av leder i mikroskala:gångjärn, skjutreglage och kulleder. De publicerar sina resultat i nanoskala.

DNA

För att ge sina leder den nödvändiga rörligheten, forskarna kopplar samman kolloiderna genom DNA-linkers. Istället för att fästa länkarna på en fast plats på kolloiden, de rör sig fritt över ytan. Kraft håller densiteten relativt låg på cirka tusen DNA-linkers per kvadratmikrometer på kolloidytan. Det är tillräckligt för att bygga in den gemensamma funktionaliteten, samtidigt som det inte är för många för att stoppa systemet.

Grader av frihet

I den makroskopiska världen, lederna skapar inte bara en mobil anslutning, de ger också funktionalitet genom att begränsa rörelsen till vissa riktningar. Ett dörrgångjärn, till exempel, låter bara dörren rotera runt en riktning. För att ge sådana specifika grader av frihet och därmed funktionalitet till deras mikroskopiska leder, fysikerna utnyttjade det faktum att kolloider fäster starkast vid maximal kontakt. En sfär kopplad till en kubisk partikel kan bara glida längs sin sida, eftersom kontaktytan kommer att minska om den vänder runt hörnet; detta gör den till en glidförband (Figur 1b). Sfärer anslutna till midjan på en hantel kan bara kretsa runt mitten, eftersom de känner maximal kontakt om de rör vid båda halvorna av hanteln (Figur 1c). Detta ger en gångjärnsfunktion. För det tredje, sfäriska kolloider kan användas som kulleder eftersom fästa partiklar har friheten att röra sig i alla riktningar (Figur 1a). Dessa tre typer av mikroskopiska fogar förvandlar stela kolloidstrukturer till flexibla sådana som utgör grunden för framtida självbyggande mikrorobotar.