Ricercatori della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia, L'ETH di Zurigo e l'Università di Cambridge hanno sintetizzato e analizzato microparticelle attive che si autospingono in un fluido e invertono la loro direzione di propulsione a seconda della lunghezza d'onda della luce illuminante. Un articolo di ricerca che riassume il loro lavoro è stato recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

La materia attiva comprende sistemi con elementi semoventi che traggono energia dall'ambiente e la convertono in energia cinetica. Questa è attualmente una disciplina vivace in fisica, abbracciando molte scale temporali e di lunghezza, concernente, per esempio., il comportamento degli uccelli in stormi (come i mormorii degli storni), banchi di pesci (come forma di protezione contro i predatori), e anche batteri nei biofilm e altri micronuotatori acquatici. Si concentra sia sul comportamento dei singoli elementi sia sulla comprensione dei loro meccanismi di conversione dell'energia, interazione e accoppiamento con l'ambiente così importante per la sopravvivenza, e sugli effetti collettivi e l'emergere di nuovi fenomeni in grandi popolazioni. Entrambi possono essere descritti con successo su diversi livelli di precisione, partendo da semplicistici modelli minimali a grana grossa, e fino a raffinate simulazioni numeriche.

batteri, alghe, spermatozoi, ciliati e altri organismi unicellulari sono un importante gruppo di nuotatori attivi. Esplorare le basi fisiche delle loro dinamiche è spesso complicato dalla loro immensa diversità, complessità biologica, ed elevata sensibilità alle condizioni esterne. Il micromondo acquatico è, però, governato dalle leggi universali della fluidodinamica, che pone limiti a tutti gli organismi.

A causa delle loro piccole dimensioni, micrometri, tipicamente e velocità di nuoto non superiori a decine di lunghezze del corpo al secondo, il flusso intorno a loro è dominato da effetti viscosi. Ciò significa che le strategie di nuoto degli squali o dei nuotatori olimpici falliscono completamente nella competizione su microscala. Il nuoto su macroscala si basa sull'inerzia e spinge rapidamente l'acqua all'indietro. In microscala, gli effetti inerziali sono trascurabili e l'acqua si comporta come un fluido molto viscoso, come miele o sciroppo d'oro. Immagina di nuotare in una piscina piena di miele:un colpo di gattonare sarebbe molto estenuante e altamente inefficace. Quindi, i microrganismi del nuoto hanno ideato altre strategie per la propulsione basate sullo sfruttamento della viscosità. I batteri hanno spesso flagelli elicoidali, che usano per "avvitare" il fluido come un cavatappi. Si scopre che nel micromondo viscoso, questa strategia consente una locomozione efficace. organismi più grandi, come i ciliati (e il Paramecio tra questi), avere corpi ricoperti di migliaia di ciglia, simili a capelli minuscoli. Li muovono in modo coordinato, simile a un'onda messicana in uno stadio. Ciò consente al fluido di essere trascinato lungo la superficie cellulare, e come risultato, la cellula si muove nella direzione opposta alla propagazione dell'onda ciliare.

La comprensione di questi meccanismi ha ispirato lo sviluppo di un nuovo campo di micronuotatori sintetici. La visione di progettare microrobot in laboratorio ha entusiasmato i ricercatori per molti anni a causa delle applicazioni potenzialmente ampie nella diagnostica, medicina e tecnologia, come la somministrazione mirata di farmaci all'interno del corpo del paziente. Da questa prospettiva, è di vitale importanza non solo progettare tali nuotatori, ma anche per controllarne il movimento.

Il meccanismo è sfruttato anche negli organismi pluricellulari, per esempio., ciglia nei polmoni umani e nel tratto riproduttivo sono essenziali per il trasporto del muco. E ha ispirato un certo numero di nuotatori che utilizzano il fenomeno della diffusioforesi. Per spiegarlo, consideriamo l'esempio di una particella di Giano, ispirato al dio romano dai due volti. Una realizzazione tipica è una microparticella sferica con un emisfero ricoperto d'oro, e l'altro ricoperto di platino. Quando posto in una soluzione di perossido di idrogeno (H ₂ oh ₂ ), il lato platino catalizza la decomposizione del perossido in acqua e ossigeno. Come risultato, la concentrazione dei prodotti di questa reazione sull'emisfero di platino aumenta, e lo squilibrio di concentrazione crea flusso lungo la superficie. Analogamente ai ciliati nuotatori, il movimento del fluido lungo la superficie provoca il movimento della cellula nella direzione opposta. Così, il sistema converte localmente l'energia chimica dell'ambiente circostante nella propria energia cinetica. Il meccanismo è universale, l'ingrediente chiave è la concentrazione non uniforme dei reagenti sulla superficie. Inoltre, i gradienti chimici possono essere sostituiti da uno squilibrio di temperatura o potenziale elettrostatico. Tutti questi meccanismi sono stati confermati sperimentalmente in sistemi microscopici. Vale la pena notare che le dimensioni e le velocità di nuoto tipiche di questi nuotatori sintetici sono paragonabili alle loro ispirazioni biologiche. Così, esplorando la materia attiva artificiale, gli scienziati ottengono un'ulteriore visione del micromondo del nuoto.

Molti meccanismi di propulsione sono stati proposti e sono disponibili per la materia attiva sintetica. La sfida resta quella di controllare il movimento di un nuotatore, o programmarlo in modo che possa raggiungere un luogo predefinito e ad es. somministrare un farmaco in una parte scelta del corpo. In alternativa, potrebbe essere guidato da uno stimolo esterno, come le radiazioni elettromagnetiche, campi elettrici o magnetici, onde sonore, o temperatura disomogenea.

Un passo in questa direzione è presentato nel nuovo paper dei ricercatori dell'Università di Varsavia, Politecnico di Zurigo, e Università di Cambridge, pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura . Dimostra nuovo, particelle di Giano modificate, muoversi in un fluido sotto l'influenza dell'illuminazione esterna, con la direzione del moto dipendente dalla lunghezza d'onda della luce incidente. Le particelle con un diametro di 3,5 micron erano costituite da anatasio, un polimorfo del biossido di titanio, con un emisfero rivestito d'oro. Quando illuminato con luce visibile verde, le particelle si muovono verso il cappuccio d'oro, mentre quando esposto alla luce UV, invertono il senso di marcia. Le particelle sono state sintetizzate dal Dr. Hanumantha Rao Vutukuri e dal Prof. Jan Vermant all'ETH di Zurigo, dove sono stati eseguiti tutti i lavori sperimentali.

"Cambiando la lunghezza d'onda della luce attiviamo diversi meccanismi catalitici sulle superfici delle particelle, con cui possiamo guidare rapidamente il movimento in modo controllato' afferma il dott. Maciej Lisicki della Facoltà di Fisica, Università di Varsavia. "Inoltre, assistiamo a dinamiche collettive molto interessanti:le particelle possono attrarsi o respingersi a vicenda, a seconda del loro orientamento relativo e del colore della luce illuminante. Accordando questo, osserviamo rapidi processi di fusione e fissione, che possiamo guidare".

La descrizione del moto in un tale sistema richiede di considerare sia le interazioni chimiche delle particelle attraverso i loro campi di concentrazione disomogenei dei reagenti creati sulle loro superfici, così come il flusso idrodinamico causato dalla loro presenza. Il modello teorico che permette di descrivere la dinamica di queste nuove particelle attive è stato costruito dal Dr. Maciej Lisicki (Varsavia) e dal Prof. Eric Lauga (Cambridge).

"A dimensioni micrometriche, pensiamo che il fluido attorno alle particelle sia molto viscoso, " dice Maciej Lisicki. "Le loro interazioni idrodinamiche sono quindi di vasta portata. Il movimento di ogni particella è sentito da tutte le altre."

I ricercatori, che da tempo si occupa delle applicazioni della diffusioforesi alla sintesi di nuotatori artificiali e di pompaggio su microscala, credo che questo romanzo, Il meccanismo reversibile e controllato di autopropulsione per le particelle di Janus è un passo verso microrobot più complessi che alla fine saranno in grado di trasportare merci su scala cellulare. Potrebbe anche essere usato per controllare il movimento collettivo in microscala mediante l'agitazione locale indotta dalla luce in sospensioni di particelle attive e miscele di colloidi attivi e passivi sospesi in un fluido.