University of Colorado Boulder forskare har upptäckt att mycket liten, självgående partiklar som kallas "nanosimmare" kan fly från labyrinter så mycket som 20 gånger snabbare än andra passiva partiklar, banar väg för deras användning i allt från industriell sanering till medicinleverans.

Resultaten, publiceras denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , beskriv hur dessa små syntetiska nanorobotar är otroligt effektiva på att fly hål i labyrintliknande miljöer. Dessa nanosimmare skulle en dag kunna användas för att sanera förorenad jord, förbättra vattenfiltreringen eller till och med leverera läkemedel till riktade områden av kroppen, som i täta vävnader.

"Detta är upptäckten av ett helt nytt fenomen som pekar på ett brett potentiellt utbud av tillämpningar, sa Daniel Schwartz, senior författare av tidningen och Glenn L. Murphy begåvad professor i kemisk och biologisk teknik.

Dessa nanosimmare kom till den teoretiska fysikens kännedom för ungefär 20 år sedan, och människor föreställde sig en mängd verkliga tillämpningar, enligt Schwartz. Men tyvärr har dessa påtagliga applikationer ännu inte realiserats, delvis för att det har varit ganska svårt att observera och modellera deras rörelser i relevanta miljöer – fram till nu.

Dessa nanosimmare, även kallade Janus-partiklar (uppkallad efter en romersk tvåhövdad gud), är små sfäriska partiklar som består av polymer eller kiseldioxid, konstruerad med olika kemiska egenskaper på varje sida av sfären. En halvklot främjar kemiska reaktioner, men inte den andra. Detta skapar ett kemiskt fält som gör att partikeln kan ta energi från miljön och omvandla den till riktad rörelse - även känd som självframdrivning.

"Inom biologi och levande organismer, cellframdrivning är den dominerande mekanismen som gör att rörelse uppstår, och ändå, i tekniska applikationer, den används sällan. Vårt arbete tyder på att det finns mycket vi kan göra med självframdrivning, sa Schwartz.

I kontrast, passiva partiklar som rör sig slumpmässigt (en sorts rörelse som kallas Brownsk rörelse) är kända som Brownska partiklar. De är uppkallade efter 1800-talsforskaren Robert Brown, som studerade sådant som den slumpmässiga rörelsen hos pollenkorn suspenderade i vatten.

Forskarna omvandlade dessa passiva Brownska partiklar till Janus-partiklar (nanosimmare) för denna forskning. Sedan fick de dessa självgående nanosimmare att försöka röra sig genom en labyrint gjord av ett poröst medium, och jämförde hur effektivt och effektivt de hittade flyktvägar jämfört med de passiva Brownska partiklarna.

Resultaten var chockerande, även till forskarna.

Janus-partiklarna var otroligt effektiva på att fly hål i labyrinten – så mycket som 20 gånger snabbare än de Brownska partiklarna – eftersom de rörde sig strategiskt längs hålrummets väggar och letade efter hål, vilket gjorde att de kunde hitta utgångarna mycket snabbt. Deras självframdrivning verkade också ge dem en boost av energi som behövdes för att passera genom utgångshålen i labyrinten.

"Vi vet att vi har många applikationer för nanorobotar, speciellt i mycket trånga miljöer, men vi visste inte riktigt hur de rör sig och vad fördelarna är jämfört med traditionella Brownska partiklar. Det var därför vi började en jämförelse mellan dessa två, sa Haichao Wu, huvudförfattare till uppsatsen och doktorand i kemi- och biologisk teknik. "Och vi fann att nanosimmare kan använda ett helt annat sätt att söka runt i dessa labyrintmiljöer."

Även om dessa partiklar är otroligt små, runt 250 nanometer – bara bredare än ett människohår (160 nanometer), men fortfarande mycket, mycket mindre än huvudet på ett stift (1-2 millimeter)—arbetet är skalbart. Detta betyder att dessa partiklar kan navigera och tränga igenom utrymmen som är lika mikroskopiska som mänsklig vävnad för att transportera last och leverera läkemedel, samt genom jord under jord eller sandstränder för att avlägsna oönskade föroreningar.

Svärmande nanosimmare

Nästa steg i denna forskningslinje är att förstå hur nanosimmare beter sig i grupper i begränsade miljöer, eller i kombination med passiva partiklar.

"I öppna miljöer, Nanosimmare är kända för att uppvisa framväxande beteende – beteende som är mer än summan av dess delar – som efterliknar den svärmande rörelsen hos fågelflockar eller fiskstim. Det har varit mycket av drivkraften till att studera dem, sa Schwartz.

Ett av de främsta hindren för att nå detta mål är svårigheten att kunna observera och förstå 3D-rörelsen hos dessa små partiklar djupt inne i ett material som består av komplexa sammanlänkade utrymmen.

Wu övervann detta hinder genom att använda brytningsindexvätska i det porösa mediet, som är vätska som påverkar hur snabbt ljuset färdas genom ett material. Detta gjorde labyrinten i princip osynlig, samtidigt som man tillåter observation av 3D-partikelrörelser med hjälp av en teknik som kallas dubbelhelixpunktsspridningsfunktionsmikroskopi.

Detta gjorde det möjligt för Wu att spåra tredimensionella banor för partiklarna och skapa visuella representationer, ett stort framsteg från typisk 2D-modellering av nanopartiklar. Utan detta framsteg, det skulle inte vara möjligt att bättre förstå rörelserna och beteendet hos vare sig individer eller grupper av nanosimmare.

"Det här dokumentet är det första steget:det tillhandahåller ett modellsystem och bildplattformen som gör det möjligt för oss att svara på dessa frågor, ", sa Wu. "Nästa steg är att använda den här modellen med en större population av nanosimmare, att studera hur de kan interagera med varandra i en begränsad miljö."