Le onde in movimento sono comunemente osservate nei sistemi biologici e sintetici e recenti scoperte hanno mostrato come i colloidi d'argento formino onde di movimento in movimento nel perossido di idrogeno sotto la luce UV. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Xi Chen e un team di ricercatori in materiali intelligenti, fisica e ottica presso l'Harbin Institute of Technology e l'Università Jiao Tang di Shanghai, in Cina, hanno mostrato l'onda di movimento colloidale come un sistema eccitabile eterogeneo.

I colloidi d'argento generavano onde chimiche viaggianti tramite diffusione per reazione ed erano semoventi o promossi tramite diffusione o osmosi. Il team ha osservato i risultati fondamentali utilizzando coloranti idrossidi e sensibili al pH e ha utilizzato un modello Rogers-McCulloch per produrre quantitativamente e qualitativamente le caratteristiche delle onde colloidali. I risultati aprono la strada all'integrazione delle onde colloidali come piattaforma per lo studio dei fenomeni non lineari e allo studio del trasporto colloidale per esplorare la trasmissione di informazioni in insiemi di microrobot biomimetici.

Tradurre l'oscillazione biologica in laboratorio

I processi oscillatori sono ampiamente osservati nei sistemi viventi, variando dal ritmo circadiano alle oscillazioni citosoliche. L'accoppiamento tra unità oscillatorie può portare alla sincronizzazione che dà origine a onde viaggianti, come osservato con le onde di calcio che si diffondono attraverso un ovulo fecondato, i potenziali d'azione che si propagano attraverso le cellule cardiache che battono, gli stati mitotici e le onde di ameba auto-organizzante. I biofisici mirano a comprendere la natura fisico-chimica di queste onde per esaminare le tendenze sottostanti nella vita. Le recenti scoperte dei colloidi oscillanti contenenti argento fotochimicamente attivi sono un'entusiasmante aggiunta alla famiglia dei processi non lineari.

Quando i ricercatori hanno immerso una microsfera polimerica inerte ricoperta per metà di argento in una soluzione acquosa di perossido di idrogeno o cloruro di potassio e l'hanno esposta a fonti di luce, hanno notato la visualizzazione di impulsi. Hanno proposto che le nanoparticelle d'argento prodotte durante l'esperimento servissero da hotspot catalitici per consentire ulteriori reazioni. Indipendentemente dai dettagli chimici, il team ha notato come la diffusione di sostanze chimiche abbia spinto le particelle di Giano tramite l'autodiffusioforesi, per dare origine a un movimento colloidale simile. In questo lavoro, Chen et al. hanno offerto una prima visione per generare i colloidi chimicamente attivi e hanno monitorato la loro risposta alle onde chimiche al di là dei classici sistemi di reazione-diffusione. I risultati offrono forti possibilità per la ricerca traslazionale che collega la materia attiva alla scienza non lineare al fine di regolare sciami di macchine microscopiche biomimetiche.

Il team ha notato lo sviluppo di onde di movimento colloidali periodiche nella propagazione sincronizzata. In precedenza avevano registrato onde balistiche a una densità di popolazione intermedia, dove i colloidi attivati ​​​​sul fronte d'onda si muovevano in tutte le direzioni a causa dell'autopropulsione foretica. I ricercatori hanno notato l'emergere di tipi di onde qualitativamente differenti, note come onde brulicanti a densità di popolazione ancora più elevate. In questo caso, il team ha sviluppato microsfere di polimetilmetacrilato semi-rivestite con argento (PMMA-Ag), sospese in perossido di idrogeno e cloruro di potassio e illuminate con una luce a 365 nm. La particella colloidale contenente argento potrebbe in linea di principio emettere onde brulicanti. I risultati sperimentali hanno indicato un risultato simile all '"ondata messicana" vista negli stadi di calcio. Il team ha quindi quantificato l'onda brulicante tramite il monitoraggio di singole particelle e la velocimetria dell'immagine di microparticelle considerando le particelle colloidali come traccianti di flusso. In questo caso, l'onda ha viaggiato ad una velocità di 16 µm/s, con parametri regolabili. Changes in light intensity only mildly changed the period and speeds of a swarming wave. The team distinguished the swarming waves from ballistic waves via their characteristic mobility and physicochemistry

Chemical waves:The physicochemical nature of a colloidal wave

Chen et al described the physicochemical nature of the activation and recovery of colloidal waves. Since the wave phenomenon is inspired by traveling waves in reaction-diffusion systems, they hypothesized colloidal waves to be underpinned by a traveling chemical wave, due to reaction-diffusion mechanisms. For instance, hydrogen peroxide can decompose faster in higher pH to form a burst of highly oxidative intermediates that oxidized silver into silver chloride. The resulting chemical reactivity activated the silver-colloid to release a burst of chemicals to maintain chemical wave propagation. They confirmed the production of hydroxide anions during silver oxidation, and the formation of hydrogen cations during silver chloride photodecomposition, at and behind the chemical wavefront by using fluorescence mapping and pH measurements.

Colloids respond to a chemical wave:Modeling a reaction-diffusion colloidal wave

The scientists next studied the dynamics of colloidal particles in a chemical wave to dictate the type of colloidal wave formed. They noted ionic self-diffusiophoresis, and at higher ionic densities they noted weaker electro-kinetic effects for reduced self-propulsion. They identified the dynamics of neutral diffusio-osmosis dynamics, which moved colloid particles via advection, in addition to self-propagation. As self-propagation weakened and diffusio-osmosis intensified in a crowded solution with rising ionic strength, the colloidal wave switched to swarming wave. The team observed a range of effects, including electrokinetic effects, advection support via osmosis, and self-propulsion during the experiments. Chen et al next reproduced and corroborated the proposed reaction-diffusion colloidal wave via numerical simulations. At the first step, they used the Rogers-McCulloch model to simulate a chemical wave, the resulting numerical models qualitatively reproduced key features, to explore the dynamics of colloidal waves.

In this way, Xi Chen and colleagues developed a numerical model to simulate colloidal waves to study the heterogeneity of chemical waves. The outcomes showed good agreement with simulations and experiments to provide key insights to understand microscopic details of chemical waves in experimental systems. Colloidal waves can be integrated with optical tweezers, acoustofluidics or microfluidics to regulate micro- and nanoscopic objects in space and time. The method is useful to swarm physicochemical dynamics of a colloidal wave and can lead to develop wave-mediated information transmission systems to examine autonomous micro-robots. The colloidal waves present a good model system of reaction-diffusion processes at mesoscopic and microscopic scales. + Esplora ulteriormente

Axisymmetric 'spike waves' far exceed limits previously thought to dictate maximum height of ocean waves

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