• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Mikrosimmare simmar snabbare över hala ytor

    Mikrosimmarens hastighet för olika subtrater. Kredit:Leiden University

    Små självgående sfärer, mäter bara mikrometer, rör sig snabbare över en hydrofob silikonyta än de gör över hydrofilt glas. "Nästan ingen hade insett att substratet spelar roll, säger Stefania Ketzetzi, forskaren som upptäckte effekten, undersökte det och förklarade det. Hon publicerar om det i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

    "Detta var en oavsiktlig upptäckt, säger Ketzetzi, en vetenskapsman i Daniela Kraft-gruppen, som forskar om mikrosimmare. Dessa är små kolloidala sfärer som bara mäter mikrometer. Ena halvan av sfären är täckt av ett tunt lager av platina.

    Små raketer

    När dessa partiklar suspenderas i en väteperoxidlösning, platina fungerar som en katalysator. Det främjar den kemiska reaktionen av väteperoxid till vatten och syre. Bildandet av reaktionsprodukter på ena sidan av partikeln skapar ett vätskeflöde som driver partikeln som en liten raket. På grund av deras självdrift, de kallas "aktiva" partiklar. En dag, de kan användas som motordelar för mikrorobotar.

    "Jag snubblade över substrateffekten när jag arbetade med ett projekt där jag behövde använda polymerbelagda glas som substrat, säger Ketzetzi om publiceringen i Fysiska granskningsbrev . "De här substraten var mycket hydrofila. Jag märkte att samma simmare rörde sig mycket långsammare. Varför?" Tillsammans med gruppledare Kraft, hon bestämde sig för att undersöka.

    Kredit:Leiden University

    Silikoner

    Forskarna kontrollerade systematiskt om de elektriska laddningarna från substraten hade betydelse för hastigheten, men detta gav inget tydligt resultat. Substratens grovhet gav inte heller någon korrelation. Sedan, de bestämde sig för att testa substrat med varierande hydrofobicitet:den hydrofoba polydimetylsiloxanen ('silikoner') kontra glas och hydrofil polyeten. Det visar sig att halten på underlaget gör skillnad för framdrivningshastigheterna:de små raketerna nådde en hastighet av 2,8 mikrometer per sekund på silikoner, mot 1 mikrometer per sekund på de andra substraten.

    Ett mått på hydrofobicitet är kontaktvinkeln, vinkeln som ytan på en vattendroppe gör med en fast yta. På hydrofila substrat, dropparna sprids brett och kontaktvinkeln är liten. På hydrofoba substrat, kontaktvinkeln är större, vanligtvis mer än 90 grader. Forskarna fann att för liknande kontaktvinklar, hastigheterna var också liknande, medan en högre kontaktvinkel också innebär högre hastighet.

    En förklaring hittades med hjälp av teoretisk fysiker Joost de Graaf från Utrecht University. Kontaktvinkeln för lösningen på substratet hänför sig till substratets hala. Ju större kontaktvinkel, ju haltare underlaget, och så desto lättare för vätskan att flöda längs den.

    Halka

    "Det visar sig att halten i underlaget gör skillnad för framdrivningshastigheterna, " säger Ketzetzi. Framdrivningen kommer från flöden av vätska runt partikeln. När en partikel rör sig över ett substrat, en del av dessa flöden kommer att flyta mellan partikeln och ytan. Detta blir lättare på hala, hydrofoba ytor.

    Å andra sidan, Ketzetzi säger, flyter över hydrofila ytor, vatten känner mer motstånd, så framdrivningsflödena har svårare att röra sig mellan partikeln och ytan. Detta kommer att hindra framdrivningen av kolloiden, vilket resulterar i långsammare simmare över hydrofila ytor.

    Nästa steg, Ketzetzi säger, är att undersöka hur man använder detta. Man kan tänka sig applikationer som lab-on-a-chip, ett kemiskt laboratorium i miniatyr, eller läkemedelstillförsel, där droger riktas och levereras till särskilda platser i kroppen. Ketzetzi:"I tillämpningar kommer simmare att behöva köra själv i komplexa miljöer med begränsande väggar och hinder. Det är viktigt att förstå vilken effekt dessa har på simmaren. Genom att använda denna nya kunskap, vi kan förstå och möjligen kontrollera mikrosimmarens beteende."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com