Un nuovo studio del laboratorio di Thomas Mallouk mostra come la microscala "razzi, " alimentato da onde acustiche e un motore a bolle di bordo, può essere guidato attraverso paesaggi 3D di cellule e particelle usando magneti. La ricerca è stata una collaborazione tra i ricercatori della Penn e l'Università di San Diego, l'Istituto di tecnologia Harbin di Shenzhen, e la Pennsylvania State University, dove è stato inizialmente condotto lo studio, ed è stato pubblicato in Progressi scientifici .

La storia dell'origine dei minuscoli razzi è iniziata con una domanda scientifica fondamentale:gli scienziati potrebbero progettare navi su nano e microscala che utilizzano sostanze chimiche per il carburante per viaggiare attraverso il corpo umano? Quindici anni di ricerche di Mallouk e altri hanno mostrato che la risposta breve era "sì, " ma i ricercatori hanno dovuto affrontare ostacoli significativi per l'utilizzo di queste navi in ​​applicazioni biomediche perché le sostanze chimiche che hanno usato per il carburante, come il perossido di idrogeno, erano tossici.

Una scoperta "accidentale" ha portato Mallouk e il suo gruppo a concentrarsi sull'uso di un tipo di carburante completamente diverso:le onde sonore. Mentre cercano di muovere i loro razzi con la levitazione acustica, un processo utilizzato per sollevare particelle da un vetrino da microscopio con onde sonore ad alta frequenza, il gruppo è stato sorpreso di scoprire che gli ultrasuoni facevano muovere i robot a velocità molto elevate. Mallouk e il suo team hanno deciso di indagare ulteriormente su questo fenomeno per vedere se potevano usare onde sonore ad alta frequenza per alimentare le loro minuscole navi.

L'ultimo documento del gruppo descrive in dettaglio il design dei razzi su microscala, simile a una tazza a fondo tondo di 10 micron di lunghezza e cinque micron di larghezza, o delle dimensioni di una particella di polvere. Le coppe arrotondate sono stampate in 3D utilizzando la litografia laser e contengono uno strato esterno di oro e strati interni di nichel e un polimero. Il trattamento con una sostanza chimica idrofoba dopo la fusione dell'oro provoca la formazione di una bolla d'aria che rimane intrappolata all'interno della cavità del razzo.

In presenza di onde ultrasonore, la bolla all'interno del razzo è eccitata dall'oscillazione ad alta frequenza all'interfaccia acqua-aria, che trasforma la bolla in un motore di bordo. Il razzo può quindi essere guidato utilizzando un campo magnetico esterno. Ogni singolo razzo ha la sua frequenza di risonanza, il che significa che ogni membro di una flotta può essere guidato indipendentemente dagli altri. I minuscoli razzi sono anche incredibilmente abili, in grado di percorrere scale microscopiche e nuotare liberamente in tre dimensioni con l'ausilio di speciali pinne.

Una delle caratteristiche più uniche del razzo è la sua capacità di spostare altre particelle e cellule con estrema precisione, anche in ambienti affollati. Le navi robotiche possono spingere le particelle nella direzione desiderata o utilizzare un approccio "a raggio trattore" per tirare oggetti con una forza attrattiva. Mallouk afferma che la capacità di spingere oggetti senza disturbare l'ambiente "non era disponibile su scala più ampia, " aggiungendo che l'approccio del raggio traente utilizzato dalle navi di dimensioni maggiori non è altrettanto efficace nei movimenti precisi. "C'è molto controllo che puoi fare su questa scala di lunghezza, " Aggiunge.

A questa particolare dimensione, i razzi sono abbastanza grandi da non essere colpiti dal moto browniano, i movimenti casuali ed irregolari sperimentati dalle particelle nell'intervallo di dimensioni nanometriche, ma sono abbastanza piccoli da spostare gli oggetti senza disturbare l'ambiente circostante. "A questa particolare scala di lunghezza, siamo proprio al punto di crossover tra quando la potenza è sufficiente per influenzare altre particelle, "dice Malluk.

Aumentando o diminuendo la quantità di "carburante" acustico i ricercatori forniscono ai razzi, possono anche controllare la velocità dei minuscoli vasi. "Se voglio che vada piano, posso spegnere la corrente, e se voglio che vada davvero veloce, posso aumentare la potenza, " spiega Jeff McNeill, uno studente laureato che lavora su progetti motori su nano e microscala. "Questo è uno strumento davvero utile."

Mallouk e il suo laboratorio stanno già esplorando una serie di possibili aree di ulteriore ricerca, compresi i modi per azionare i razzi con la luce, e realizzare razzi ancora più piccoli che sarebbero più veloci e più forti per le loro dimensioni. Collaborazioni future con ingegneri e roboticisti a Penn, compreso Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul, e Kathleen Stebe, potrebbe aiutare a rendere i razzi "intelligenti" consentendo loro di dotare le navi di chip e sensori per computer per dare loro autonomia e intelligenza.

Poiché il gruppo considera l'ampio potenziale medico del micro-razzo dall'imaging medico alla nano-robotica, dice Mallouk, "Vorremmo avere robot controllabili in grado di svolgere compiti all'interno del corpo:consegnare medicine, arterie del rooter del rotore, spionaggio diagnostico".