Un busto unico, nuotatore con un braccio fatto di particelle legate magneticamente si muove sotto l'influenza di un campo magnetico eccentrico. I ricercatori della Rice University ritengono che rappresenti la forma di locomozione più semplice possibile. Credito:Biswal Lab
Gli scienziati della Rice University hanno scoperto quella che potrebbe essere la forma più semplice di locomozione nei viaggi di particelle su scala micron collegate e guidate da un campo magnetico.
Nel laboratorio Rice dell'ingegnere chimico e biomolecolare Sibani Lisa Biswal, i ricercatori hanno posizionato sfere magnetizzate di diverse dimensioni in una soluzione. Quando sottoposto a un "campo magnetico eccentrico, " le sfere autoassemblate e le sfere più piccole, attaccato da cardini virtuali, tracciato orbite ruvide da un lato dei loro partner più grandi.
In sostanza, le piccole perline replicavano il movimento di un nuotatore con un braccio solo che esegue la rana. I ricercatori hanno scoperto di poter manipolare il campo magnetico per dirigere i nuotatori attraverso il fluido a quasi un micron al minuto. L'abilità potrebbe eventualmente renderli adatti come veicoli per la somministrazione di farmaci.
Il fenomeno è oggetto di un articolo sulla rivista Royal Society of Chemistry Materia morbida .
"C'è stato un grande interesse recente per la materia attiva e i sistemi che mostrano un comportamento collettivo, " Biswal ha detto. "Siamo abituati a vedere questo nel modo in cui gli uccelli si affollano o i batteri sciamano, ma ora possiamo vederlo in materiali sintetici che mostrano anche una capacità di accoppiarsi tra loro.
"I campi magnetici sono emersi come un modo per essere in grado di guidare le particelle a fare alcune cose interessanti, " lei disse.
L'alunno di Rice e autore principale Di (Daniel) Du ha scoperto i nuotatori mentre studiava come le particelle colloidali paramagnetiche rispondono a un campo magnetico rotante, oggetto di numerosi lavori recenti del laboratorio Biswal.
"Un giorno mi sono accorto che alcuni di loro nuotano, " Du ha detto. "Ero molto interessato a questo, quindi ho esaminato questo specifico fenomeno di locomozione con un numero di Reynolds basso." Un numero di Reynolds quantifica come gli oggetti si muovono nei fluidi in relazione alla loro viscosità, Egli ha detto. "Quindi se vedi nuotare, significa che sta succedendo qualcosa.
"Abbiamo scoperto che in alcune circostanze, specialmente sotto un campo magnetico eccentrico, queste particelle si autoassemblano in un nuotatore e questo diventa motivo, "Dì ha detto.
Eccentrico significa che il punto focale del campo magnetico rotante non è il centro di un colloide ma si muove attorno alla sua circonferenza. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che potevano controllare l'orbita della piccola particella alterando l'alimentazione a quattro elettromagneti controllati dal computer che circondano la soluzione.
Le particelle sono attaccate solo dal campo magnetico, dando al più piccolo la libertà di muoversi in un movimento simile al nuoto con un lungo tratto di guida e un breve tratto di ritorno. I ricercatori l'hanno definita una rana perché, come per i nuotatori umani, il colpo non lo richiede per rompere la superficie della soluzione.
Per restare in tema, Du chiamò le particelle grandi "torsi" e quelle piccole "braccia". La capacità di movimento dei nuotatori gli ha permesso di affermare che erano persino più semplici dei "nuotatori più semplici possibili" progettati dal premio Nobel Edward Purcell. Purcell progettò dispositivi teorici di tre aste rigide collegate da due cerniere, ogni cerniera rappresenta un grado di libertà, e li considerava la configurazione più semplice per un dispositivo che potesse nuotare "se sposti le cerniere in un modo specifico, "Dì ha detto.
Un grafico mostra il meccanismo alla base di quella che i ricercatori della Rice University ritengono sia la forma di locomozione più semplice mai scoperta, una coppia di particelle paramagnetiche che nuotano con l'aiuto di un campo magnetico. A destra, l'orbita unica del braccio è dettagliata. Credito:Biswal Lab
"Ma il nostro è in realtà più semplice, " Egli ha detto, "poiché ho ridotto il numero di componenti rigidi dal prototipo di Purcell."
Du ha affermato che esperimenti e simulazioni hanno mostrato che i nuotatori con più torsi e braccia possono essere controllati, sebbene la loro velocità variasse a seconda dell'intensità del campo e – nelle simulazioni – del moto browniano, l'onnipresente, spinte e attrattive casuali di molecole in gas e liquidi.
Nei test con nuotatori multiparticelle, Du ha detto, alcune braccia si allargherebbero un po' più lontano dal busto rispetto ad altre. Poiché questa "frammentazione del braccio" ha influenzato la velocità del nuotatore, ha aiutato Du a scuotere le teorie su come le particelle rispondono al moto browniano.
"Solo quando c'è moto browniano vediamo questa frammentazione, " ha detto. "Con il moto browniano le nostre simulazioni corrispondono ai risultati sperimentali; a volte la frammentazione spinge i nuotatori a nuotare più lentamente, e a volte più veloce. Senza moto browniano, c'è una grande differenza".
Precedenti studi sul "teorema della capesante" hanno mostrato che il moto browniano può influenzare il movimento delle cose con moto alternativo, come una capasanta che si apre e si chiude semplicemente senza spingersi da sola ma si muove comunque in modo casuale. Le braccia nei nuotatori di Du si muovono in modo non reciproco - la corsa di guida è più lunga della corsa di ritorno - ma ha mostrato che la loro velocità è anche influenzata dal movimento browniano.
Du ha detto che sarà possibile attaccare ligandi o proteine alle grandi particelle per la consegna a cellule o altri luoghi biologici, e l'intero veicolo poteva essere spostato con due bobine magnetiche ad angoli di 90 gradi.
"In quel modo, i nuotatori potrebbero fungere da micro-robot, " Egli ha detto.
