I ricercatori dell'Università del Colorado Boulder hanno scoperto che minuscolo, le particelle semoventi chiamate "nanonuotatori" possono uscire dai labirinti fino a 20 volte più velocemente di altre particelle passive, spianando la strada al loro uso in tutto, dalle pulizie industriali alla consegna dei farmaci.

Le scoperte, pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , descrivi come questi minuscoli nanorobot sintetici siano incredibilmente efficaci nel fuggire dalle cavità all'interno di ambienti labirintici. Questi nanonuotatori potrebbero un giorno essere utilizzati per bonificare il suolo contaminato, migliorare la filtrazione dell'acqua o addirittura somministrare farmaci ad aree mirate del corpo, come all'interno di tessuti densi.

"Questa è la scoperta di un fenomeno completamente nuovo che indica un'ampia gamma potenziale di applicazioni, " ha detto Daniel Schwartz, autore senior dell'articolo e Glenn L. Murphy Doted Professor di ingegneria chimica e biologica.

Questi nanonuotatori sono venuti all'attenzione della comunità della fisica teorica circa 20 anni fa, e le persone hanno immaginato una vasta gamma di applicazioni del mondo reale, secondo Schwartz. Ma purtroppo queste applicazioni tangibili non sono ancora state realizzate, in parte perché è stato piuttosto difficile osservare e modellare il loro movimento in ambienti rilevanti, fino ad ora.

Questi nanonuotatori, chiamate anche particelle di Giano (dal nome di un dio romano a due teste), sono minuscole particelle sferiche composte da polimero o silice, progettato con diverse proprietà chimiche su ciascun lato della sfera. Un emisfero favorisce il verificarsi di reazioni chimiche, ma non l'altro. Questo crea un campo chimico che consente alla particella di prendere energia dall'ambiente e convertirla in movimento direzionale, noto anche come autopropulsione.

"Nella biologia e negli organismi viventi, la propulsione cellulare è il meccanismo dominante che provoca il movimento, e ancora, nelle applicazioni ingegneristiche, è usato raramente. Il nostro lavoro suggerisce che c'è molto che possiamo fare con l'autopropulsione, " ha detto Schwartz.

In contrasto, le particelle passive che si muovono casualmente (un tipo di movimento noto come moto browniano) sono note come particelle browniane. Prendono il nome dallo scienziato del XIX secolo Robert Brown, che studiava cose come il movimento casuale dei granelli di polline sospesi nell'acqua.

I ricercatori hanno convertito queste particelle browniane passive in particelle di Janus (nanonuotatori) per questa ricerca. Poi hanno fatto provare a questi nanonuotatori semoventi di muoversi attraverso un labirinto fatto di un mezzo poroso, e hanno confrontato l'efficienza e l'efficacia con cui hanno trovato vie di fuga rispetto alle particelle browniane passive.

I risultati sono stati scioccanti, anche ai ricercatori.

Le particelle di Janus erano incredibilmente efficaci nell'evadere le cavità all'interno del labirinto, fino a 20 volte più velocemente delle particelle Browniane, perché si muovevano strategicamente lungo le pareti della cavità alla ricerca di buchi, che ha permesso loro di trovare le uscite molto rapidamente. La loro autopropulsione sembrava anche dare loro una spinta di energia necessaria per passare attraverso i fori di uscita all'interno del labirinto.

"Sappiamo di avere molte applicazioni per i nanorobot, soprattutto in ambienti molto ristretti, ma non sapevamo davvero come si muovono e quali sono i vantaggi rispetto alle tradizionali particelle Browniane. Ecco perché abbiamo iniziato un confronto tra questi due, " disse Haichao Wu, autore principale dell'articolo e studente laureato in ingegneria chimica e biologica. "E abbiamo scoperto che i nanonuotatori sono in grado di utilizzare un modo completamente diverso per cercare in questi ambienti labirintici".

Sebbene queste particelle siano incredibilmente piccole, circa 250 nanometri, appena più largo di un capello umano (160 nanometri), ma ancora molto, molto più piccolo della testa di uno spillo (1-2 millimetri):il lavoro è scalabile. Ciò significa che queste particelle potrebbero navigare e permeare spazi microscopici come i tessuti umani per trasportare carichi e consegnare farmaci, così come attraverso il suolo sotterraneo o spiagge di sabbia per rimuovere gli inquinanti indesiderati.

Brulicanti nanonuotatori

Il prossimo passo in questa linea di ricerca è capire come si comportano i nanonuotatori in gruppi all'interno di ambienti confinati, o in combinazione con particelle passive.

"In ambienti aperti, è noto che i nanonuotatori mostrano un comportamento emergente, un comportamento che è più della somma delle sue parti, che imita il movimento brulicante di stormi di uccelli o banchi di pesci. Questo è stato molto l'impulso per studiarli, " ha detto Schwartz.

Uno dei principali ostacoli al raggiungimento di questo obiettivo è la difficoltà di poter osservare e comprendere il movimento 3D di queste minuscole particelle in profondità all'interno di un materiale composto da complessi spazi interconnessi.

Wu ha superato questo ostacolo utilizzando un liquido con indice di rifrazione nel mezzo poroso, che è un liquido che influenza la velocità con cui la luce viaggia attraverso un materiale. Questo rendeva il labirinto essenzialmente invisibile, consentendo l'osservazione del movimento delle particelle 3D utilizzando una tecnica nota come microscopia con funzione di diffusione del punto a doppia elica.

Ciò ha permesso a Wu di tracciare le traiettorie tridimensionali delle particelle e creare rappresentazioni visive, un importante progresso rispetto alla tipica modellazione 2D delle nanoparticelle. Senza questo progresso, non sarebbe possibile comprendere meglio il movimento e il comportamento di individui o gruppi di nanonuotatori.

"Questo documento è il primo passo:fornisce un sistema modello e la piattaforma di imaging che ci consente di rispondere a queste domande, " ha detto Wu. "Il prossimo passo è usare questo modello con una popolazione più ampia di nanonuotatori, per studiare come sono in grado di interagire tra loro in un ambiente confinato."