Progettazione concettuale per pilotaggio ottico e sterzo di micronuotatori optotermoelettrici. (a) Sotto i campi chiari, Le particelle PS/Au Janus sono impostate per nuotare e ruotare alternativamente per seguire un percorso predefinito. (b) All'irradiazione della luce su una particella di Giano, sulla superficie della particella si genera un gradiente di temperatura ∇T che punta dal lato PS al lato Au a causa dell'assorbimento asimmetrico di PS e Au. (c) Una volta che la particella Janus è dispersa in una soluzione CTAC 0.2 mM, un campo termoelettrico viene indotto per guidare la particella di Giano lungo il gradiente di temperatura. I simboli bianchi “+” indicano la superficie caricata positivamente. in b, C, il riscaldamento asimmetrico e il campo termoelettrico sotto un raggio laser sfocato sono mostrati nel piano X–Z. (d) Illustrazione schematica e riscaldamento asimmetrico della particella di Giano quando è impostata per ruotare (come mostrato dalla freccia marrone) nel piano X–Y da un altro raggio laser focalizzato (indicato dalla regione verde circondata da un cerchio tratteggiato). in d, e, il raggio laser sfocato è spento Credit:Light:Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
In un recente rapporto, Xiaolei Peng e un team di scienziati in scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università del Texas, NOI., e l'Università Tsinghua, Cina, ha sviluppato micronuotatori optotermoelettrici bioispirati ai comportamenti di movimento di Escherichia coli (E. coli). Hanno progettato i micronuotatori utilizzando particelle Janus d'oro dielettriche guidate da un campo elettrico autosufficiente derivante dalla risposta optotermica delle particelle. Quando hanno illuminato i costrutti con un raggio laser, le particelle di Janus hanno mostrato un gradiente di temperatura generato otticamente lungo le superfici delle particelle, formando un campo opto-termoelettrico per spingersi avanti.
Il team ha scoperto la direzione del nuoto dei micronuotatori in base all'orientamento della particella. Hanno proposto un nuovo approccio optomeccanico per comprendere la direzione di navigazione dei micronuotatori che si affidavano a un campo elettrico indotto dal gradiente di temperatura, utilizzando un raggio laser focalizzato. Cronometrando il secondo raggio laser di rotazione nella configurazione, hanno posizionato le particelle in qualsiasi orientamento desiderato per controllare in modo efficiente la direzione del nuoto. Utilizzando l'imaging ottico in campo scuro e un algoritmo di controllo del feedback, gli scienziati hanno facilitato la propulsione automatizzata dei micronuotatori. I micronuotatori optotermoelettrici avranno applicazioni in sistemi colloidali, somministrazione mirata di farmaci e rilevamento biomedico. La ricerca è ora pubblicata in Luce naturale:scienza e applicazioni .
Micronuotatori
I micronuotatori sono una classe di micromacchine in grado di convertire sostanze chimiche esterne, energia acustica o elettromagnetica nel movimento del nuoto. Tali macchine possono essere utilizzate per diverse applicazioni biomediche che vanno dalla somministrazione mirata di farmaci alla nanochirurgia di precisione e al rilevamento diagnostico. In questo lavoro, Peng et al. ha utilizzato micronuotatori completamente ottici basati su particelle di Janus in un campo elettrico generato optotermicamente per costruire micronuotatori optotermoelettrici che imitassero il movimento "corsa e rotolamento" delle cellule di E. coli. Nel suo meccanismo d'azione, l'assorbimento asimmetrico della luce di una particella di Janus sotto irraggiamento del raggio laser ha causato un gradiente di temperatura autogenerato per un campo opto-termoelettrico risultante che ha spinto la particella. Gli scienziati hanno guidato il processo utilizzando due raggi laser, dove il secondo raggio laser focalizzato ha innescato la rotazione nel piano delle singole particelle di Janus sotto riscaldamento ottico. Il team ha ottenuto una rotazione stabile delle particelle grazie alla forza termoelettrica, forza ottica e forza di trascinamento dei colpi nella configurazione. Peng et al. ha studiato ulteriormente i meccanismi di funzionamento accoppiando gli esperimenti con la teoria e le simulazioni.
Una particella di Janus PS/Au che nuota da 2,1 μm in una soluzione di CTAC (cloruro di cetiltrimetilammonio) 0,2 mM. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00378-5 
Per facilitare la conversione dell'energia da fotone a fonone (da luce a suono), il team ha sviluppato nuotatori opto-termoelettrici rivestendo a metà un sottile strato d'oro (Au) sulla superficie delle perle di polistirene (PS). All'irradiazione della luce, la differenza di assorbimento tra PS e Au ha creato un gradiente di temperatura sulla superficie delle particelle PS/Au Janus. Peng et al. disperse le particelle di Janus in una soluzione acquosa per convertire l'energia termica in energia meccanica. Quando guidato dal campo termoelettrico e irradiato da un raggio laser, le particelle di Janus sono migrate lungo la direzione da PS ad Au per dimostrare lo stato di nuoto. Però, le fluttuazioni termiche potrebbero cambiare l'orientamento delle particelle di Giano facendole allontanare dai loro percorsi durante la migrazione. Per mantenere la rotta prefissata, gli scienziati hanno spento il raggio laser sfocato e hanno utilizzato un raggio laser focalizzato per ruotare e intrappolare le particelle di Janus per il riorientamento. Una volta raggiunto il loro orientamento predestinato, hanno spento il raggio laser focalizzato e riportato le particelle Janus al raggio laser sfocato per riportarle allo stato di nuoto. Questo processo di commutazione a due stati ha fornito il miglior design possibile per navigare attivamente nei micronuotatori per una varietà di funzionalità.
Nuoto optotermoelettrico di particelle PS/Au Janus sotto un raggio laser sfocato. (a) Illustrazione schematica del meccanismo di nuoto. La velocità è diretta dall'emisfero PS all'emisfero rivestito di Au. (b) Velocità di nuoto in funzione della potenza ottica per particelle 5 µm PS/Au Janus. Un raggio laser da 660 nm con una dimensione del raggio di 31 m è stato applicato per guidare il nuoto. (c) Immagini risolte nel tempo di una particella PS/Au che nuota 2.1 µm. Un raggio laser da 1064 nm con una dimensione del raggio di 31 µm e una potenza di 32 mW è stato applicato per guidare il nuoto. (d) Velocità di nuoto in funzione della potenza ottica per particelle 2.1 m PS/Au Janus. Due diversi raggi laser, cioè., un raggio laser da 1064 nm con una dimensione del raggio di 45 µm e un raggio laser da 660 nm con una dimensione del raggio di 45 µm, sono stati applicati per guidare il nuoto. Gli inserti di b, d mostrano una particella PS/Au Janus spinta a nuotare sotto un raggio laser sfocato. Tutte le suddette dimensioni del fascio sono state ottenute mediante misura sperimentale. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Nuoto optotermoelettrico e controllo dell'orientamento
Quando Peng et al. utilizzato un raggio laser sfocato per il movimento diretto di micronuotatori opto-termoelettrici, hanno realizzato un "pool di energia" per le particelle di Janus. Hanno chiamato il movimento lungo il gradiente di temperatura autogenerato come autotermoforesi. Nella soluzione circostante di cloruro di cetiltrimetilammonio (CTAC), l'autotermoforesi nasce da effetti termoelettrici per consentire il movimento caratteristico delle particelle. Il team potrebbe ridurre lo spessore della camera della configurazione sperimentale per stabilizzare il flusso fluidico e facilitare il trasporto direzionale delle particelle di Janus. Poiché l'orientamento delle particelle di Janus potrebbe essere cambiato casualmente attraverso fluttuazioni termiche, il team ha utilizzato un secondo raggio laser focalizzato per ottenere la rotazione delle particelle per navigare in modo efficiente nella direzione del nuoto. Hanno raggiunto questo obiettivo commutando i raggi laser per analizzare quantitativamente la particella rotante di Giano ed estrarre la loro posizione in tempo reale, così come i dati di orientamento.
Quando la potenza del laser è aumentata, anche la rotazione delle particelle è aumentata, sebbene il continuo aumento della potenza del laser abbia causato forti effetti di riscaldamento e danni termici alla particella di Giano. La velocità di rotazione dipendeva dalla dimensione delle particelle. Per capire la forza termoelettrica, Peng et al. simulato la distribuzione della temperatura sulle superfici delle particelle PS/Au Janus. Quindi hanno calcolato la forza termoelettrica e la forza ottica per comprendere la dinamica di rotazione. Il team ha condotto ulteriori indagini per comprendere il comportamento di autoallineamento della particella Janus.
Controllo dell'orientamento delle particelle PS/Au Janus con raggio laser focalizzato. (a) Configurazione e (b) corrispondente immagine in campo oscuro di una particella PS/Au Janus libera da 2,7 µm nel piano X–Z. (c) Configurazione e (d) corrispondente immagine in campo oscuro di una particella rotante PS/Au Janus da 2,7 µm nel piano X–Z. (e) Immagini in campo oscuro risolte nel tempo della rotazione di una particella PS/Au Janus da 2,7 µm. Il mezzo ciano, le particelle semi-dorate negli inserti illustrano le configurazioni corrispondenti, mentre le frecce marroni negli inserti illustrano gli orientamenti. Il punto verde nei riquadri rappresenta il raggio laser (con una lunghezza d'onda di 532 nm). (f) Spostamento del centro della particella di Janus di 2,7 µm in funzione del tempo. Il centro della trave viene impostato come origine delle coordinate. Le curve sinusoidali di raccordo indicano una rotazione circolare. (g) Evoluzione dell'orientamento della particella di Janus di 2,7 µm in funzione del tempo. L'onda a dente di sega adatta indica una direzione coerente dell'orientamento. (h) Velocità di rotazione in funzione della potenza ottica per particelle PS/Au Janus da 2,7 µm. In a-d, per una particella di Giano libera, nell'immagine ottica in campo oscuro non è stato osservato alcun confine nell'emisfero della particella perché la parte rivestita di Au tendeva ad allinearsi con la direzione della gravità. In contrasto, quando è stata avviata la rotazione nel piano della particella di Giano, l'interfaccia PS-Au è diventata perpendicolare al substrato a causa dell'effetto coordinato della forza termoelettrica e della forza ottica. Un anello asimmetrico è stato osservato nell'immagine ottica in campo scuro, con il semianello più luminoso corrispondente al rivestimento in Au a causa della sua diffusione ottica più forte. L'inserto illustra la rotazione sotto un raggio laser verde (con una lunghezza d'onda di 532 nm). La dimensione del raggio laser sul piano del campione è 2,65 µm per e, h. È stata applicata una potenza di 1,9 μmW per la rotazione in (e) Controllo dell'orientamento delle particelle PS/Au Janus con un raggio laser focalizzato. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Metodo di controllo del feedback
Il team ha quindi stabilito un algoritmo di feedback per facilitare la navigazione attiva e guidare la direzione del nuoto delle particelle di Janus. Per realizzare il controllo ad anello chiuso, hanno sviluppato un programma per computer per tracciare la posizione e l'orientamento in tempo reale di una data particella di Janus e hanno coordinato automaticamente il sistema di controllo. Nella configurazione sperimentale, due otturatori controllati da computer dettavano gli stati on/off di due singoli raggi laser. Gli scienziati hanno guidato con successo il nuoto direzionale delle particelle di Janus, dove un aumento della velocità di rotazione riduce la precisione di controllo della direzione di nuoto. Per rendere conto di ciò, Peng et al. ha utilizzato una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) con frame rate più elevato per migliorare significativamente la precisione del controllo del feedback. Hanno quindi dimostrato la navigazione attiva delle particelle PS/Au Janus utilizzando l'algoritmo di controllo del feedback per il trasporto mirato di nuotatori opto-termoelettrici. Il lavoro ha indicato il potenziale dei micronuotatori opto-termoelettrici per trasportare molecole di farmaci e parti non metalliche per una consegna precisa con potenziali applicazioni nella consegna mirata di nano/micro-farmaci.
Nuoto direzionale e trasporto mirato di particelle PS/Au Janus con un metodo di controllo a feedback. (a) Illustrazione schematica del nuoto direzionale con controllo di feedback sulle immagini registrate sperimentalmente, dove un raggio laser verde focalizzato e un raggio laser rosso sfocato sono stati impiegati per navigare e guidare il nuoto, rispettivamente. (b) Diagramma di flusso del metodo di controllo in retroazione. (c) Configurazione ottica e layout meccanico per il metodo di controllo in retroazione. (d) Traiettorie di particelle 5µm PS/Au Janus che nuotano in direzioni diverse. (e) Consegna mirata di una particella PS/Au Janus da 5 µm a una particella PS da 10 µm. Per guidare la rotazione è stato utilizzato un raggio laser da 5 µm 532 nm con una potenza di 2,6 mW, mentre un raggio laser da 660 nm con una dimensione del raggio di 31 µm e una potenza di 160–200 mW è stato applicato per guidare il nuoto. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
In questo modo, Xiaolei Peng e colleghi hanno sviluppato micronuotatori opto-termoelettrici con attivazione e navigazione completamente ottiche. Ci sono riusciti sfruttando l'accoppiamento opto-termoelettrico delle particelle di Janus. Il calore generato dalle particelle di Janus irradiate dalla luce ha creato un campo termoelettrico per spingere le particelle in una direzione specifica senza combustibile chimico. Hanno usato un raggio laser focalizzato per guidare l'orientamento dei micronuotatori e hanno controllato la rotazione delle particelle di Janus con un secondo raggio. Il meccanismo può essere ulteriormente esplorato per sviluppare microrobot intelligenti per molteplici compiti in biomedicina.
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