En ny, enkel, och en billig metod som använder ultraviolett ljus för att kontrollera partikelrörelser och montering i vätskor kan förbättra läkemedelsleveransen, kemiska sensorer, och vätskepumpar. Metoden uppmuntrar partiklar – från plastmikropärlor, till bakteriesporer, till föroreningar – att samla och organisera på en specifik plats i en vätska och, om så önskas, att flytta till nya platser. En artikel som beskriver den nya metoden dyker upp i tidskriften Angewandte Chemie .

"Många applikationer relaterade till sensorer, drogleverans, och nanoteknik kräver exakt kontroll av vätskeflödet, " sade Ayusman Sen, Erkänd professor i kemi vid Penn State och senior författare till uppsatsen. "Forskare har utvecklat ett antal strategier för att göra det, inklusive nanomotorer och vätskepumpar, men innan den här studien hade vi inte ett enkelt sätt att samla partiklar på en viss plats så att de kan utföra en användbar funktion och sedan flytta dem till en ny plats så att de kan utföra funktionen igen.

"Säg till exempel att du vill bygga en sensor för att upptäcka partiklar av en förorening, eller bakteriesporer i ett vattenprov, " sade senator "Med denna nya metod, vi kan helt enkelt lägga till nanopartiklar av guld eller titandioxid och tända ett ljus för att uppmuntra de förorenande partiklarna eller sporerna att samlas. Genom att koncentrera dem på ett ställe, de blir lättare att upptäcka. Och eftersom ljus är så lätt att manipulera, vi har en hög grad av kontroll."

Precis som förorenande partiklar kan samlas på en viss plats, metoden kan användas för att samla kiseldioxid- eller polymerpärlor som bär en nyttolast, som antikroppar eller droger, på särskilda platser i en vätska.

Den nya metoden innebär först att tillsätta en liten mängd titandioxid eller guldnanopartiklar till en vätska, som vatten, som också innehåller större partiklar av intresse, som föroreningar eller pärlor som bär en nyttolast. Att skina ett ljus vid en specifik punkt i vätskan värmer upp de små metallnanopartiklarna, och värmen överförs sedan till vätskan. Den varmare vätskan stiger sedan vid ljuspunkten – precis som varm luft stiger upp i ett kyligt rum – och kallare vatten rusar in för att fylla utrymmet som det varma vattnet just lämnade, tar med sig de större partiklarna.

"Detta gör att de större partiklarna samlas vid punkten för UV-ljus, där de bildar tätt packade, välorganiserade strukturer som kallas kolloidala kristaller, sa Benjamin Tansi, doktorand i kemi vid Penn State och första författare till uppsatsen. "Att ändra ljusets intensitet eller mängden titandioxid eller guldpartiklar förändrar hur snabbt denna process sker."

När ljuset tas bort, de större partiklarna diffunderar slumpmässigt genom vätskan. Men om ljuset istället flyttas, de större partiklarna rör sig mot den nya ljuspunkten, mestadels behålla sin struktur när de rör sig. Denna dynamiska sammansättning, demontering, och rörelse av organiserade partiklar kan ha viktiga konsekvenser för avkänning och läkemedelstillförsel.

"Denna process är mest effektiv när guldnanopartiklar används, men vi ville hitta ett alternativ som var billigare och mer tillgängligt, ", sa Tansi. "Vi var glada över att finna att denna metod också fungerar med titandioxid, en billig och ofarlig nanopartikel som används i kosmetika och som livsmedelstillsats."

Förutom vatten, forskarna visade effektiviteten av denna metod i hexadekan, en organisk vätska.

"Partiklar monteras vanligtvis inte särskilt bra i salta eller icke-vattenhaltiga miljöer eftersom allt håller ihop, ", sade senatorn. "Men här visar vi att partiklar kan monteras med den här metoden i hexadekan, vilket tyder på att vi kanske kan tillämpa denna teknik i, till exempel, biologiska vätskor. Såvitt vi vet är detta den första demonstrationen av ljusdriven vätskepumpning i ett organiskt medium."

Medlemmar av forskargruppen vid University of Pittsburgh ledd av Anna Balazs använde matematiska modeller för att beskriva systemets dynamik. Förutom att beskriva hur partiklar rör sig i systemet, modellerna bekräftar att endast en mindre förändring i temperaturen – mindre än en grad Celsius – från det ultravioletta ljuset krävs för att inducera vätskeflödet.

Forskargruppen testar för närvarande gränserna för denna metod, till exempel om partiklar kan röra sig uppför mot ljuskällan eller om metoden kan användas för att sortera partiklar efter storlek.

"Vi visste att uppvärmning av guldnanopartiklar i suspension kunde skapa ett vätskeflöde, sa Tansi, "men före den här studien hade ingen tittat för att se om dessa typer av termiskt drivna vätskeflöden kunde användas för att göra något användbart. Eftersom ultraviolett ljus och titandioxid är så lätta att kontrollera, vi tror att den här metoden kan utnyttjas i olika teknologier i framtiden. Till exempel, en vätskepump som förlitar sig på den här metoden kan potentiellt ersätta de skrymmande och dyrare traditionella pumparna som kräver en strömkälla eller som är beroende av magnetik eller mekanisk rörelse för att fungera."