Tack vare arbete av forskare från RIKEN Center for Emergent Matter Science och medarbetare är forskare närmare att skapa enheter som kan använda mikroskopiska rörelser på ett koordinerat sätt för att skapa koherent rörelse i en makroskopisk skala. Detta replikerar hur levande organismer rör sig på ett annat sätt än konstgjorda mekaniska anordningar.

I arbetet, publicerat i Nature Communications , använde forskarna titan nanosheets arrangerade i en vattenlösning för att skapa en våg som fortplantade sig genom materialet, även om nanosheetsna inte var fästa vid varandra. De kunde också använda den samordnade rörelsen för att transportera mikropartiklar tillsammans med vågen. Rörelsen av mänskliga muskler sker till exempel genom en komplex process, där enskilda "molekylära motorer" rör sig på ett koordinerat sätt. På liknande sätt kan flimmerhårens vågrörelse, som driver bakteriers rörelse, fortplantas i ett flytande medium på ett välkontrollerat sätt. Däremot tenderar de konstgjorda maskinerna runt omkring oss att röra sig som ett resultat av endast ett litet antal rörliga element. Därför kan levande organismer generera fina och invecklade rörelser på begäran, medan motorer bara kan upprepa enkla linjära eller cirkulära rörelser.

I den aktuella studien satsade forskarna på att skapa ett konstgjort material som skulle kunna återskapa rörelsen hos naturliga system. Konkret rapporterade forskarna att cirka tio miljarder kolloidalt dispergerade nanoark i vattenhaltiga medier kunde förmås att fungera koherent för att generera en fortplantande makroskopisk våg i ett icke-jämviktstillstånd. Nanoarken inducerades initialt att anta en cofacial geometri med ett stort och enhetligt plan-till-plan-avstånd på cirka 420 nanometer. I huvudsak hölls de på plats av den konkurrenskraftiga elektrostatiska repulsionen och van der Waals attraktion mellan de negativt laddade nanoskivorna. När forskarna försvagade den frånstötande kraften genom att tillsätta joner till lösningen, blev nanoskivan närmare när avstötningen försvagades. Detta skapade en våg som spred sig genom materialet. Vågen kunde också transportera mikropartiklar i en enhetlig riktning och hastighet.

Enligt Koki Sano, den första författaren till tidningen, "Det var väldigt spännande att se mikropartiklarna faktiskt röra sig genom materialet. Vi vet att den här typen av rörelser är mycket vanliga i naturen, så det var definitivt en prestation att se att vi skulle faktiskt kunna replikera det på något sätt."

Yasuhiro Ishida från RIKEN CEMS, en av ledarna för forskargruppen, sa:"Forskare har tidigare försökt att replikera naturen genom att skapa makroskopiska rörelser med hjälp av koordinerad rörelse av små komponenter, men det verkade svårt att uppnå. Vårt tillvägagångssätt var annorlunda eftersom individuella enheter var inte fästa genom bindningar utan snarare hölls på plats av konkurrensen mellan attraktiva och frånstötande krafter. Vi hoppas att denna upptäckt kommer att ge en allmän princip för att konstruera makroskopiska maskiner från ett stort antal små komponenter." + Utforska vidare

Ett formskiftande material baserat på oorganiskt material