I sistemi di materia attiva presentano comportamenti unici che includono strutture collettive di autoassemblaggio e migrazione collettiva. Tuttavia, gli sforzi per realizzare entità collettive in spazi senza supporto aderente alle pareti, al fine di condurre una locomozione tridimensionale senza dispersione, sono impegnativi.
In un nuovo studio, pubblicato su Science Advances , Mengmeng Sun e un gruppo di ricerca in ingegneria meccanica e intelligenza fisica in Cina e Germania, si sono ispirati ai meccanismi di migrazione del plancton e hanno proposto una strategia di attuazione bimodale combinando campi magnetici e ottici.
Mentre il campo magnetico ha innescato l’autoassemblaggio delle particelle colloidali magnetiche per mantenere numerosi colloidi come entità dinamicamente stabili, i campi ottici hanno permesso ai collettivi colloidali di generare un flusso convettivo attraverso effetti fototermici per la deriva 3D. I collettivi hanno eseguito la locomozione 3D sott'acqua per fornire approfondimenti sulla progettazione di dispositivi intelligenti e materiali intelligenti per materia attiva sintetica in grado di regolare il movimento collettivo nello spazio 3D.
La materia vivente attiva è onnipresente in natura e offre collettivi autoassemblati in grado di svolgere compiti complessi che superano le capacità individuali, tra cui stormi di uccelli e colonie di batteri.
Bioispirandosi ai collettivi naturali, è possibile esaminare i colloidi come elementi costitutivi dei materiali, proprio come gli atomi che formano gli elementi costitutivi di molecole e cristalli. L'autoassemblaggio colloidale può essere studiato come metodo per fabbricare nanostrutture con implicazioni tecniche per costruire componenti elettronici su scala nanometrica, conversione o stoccaggio di energia, somministrazione di farmaci e catalizzatori.
Il processo di assemblaggio colloidale può essere guidato su un substrato modellato o tramite l'assemblaggio di Langmuir-Blodgett, per l'assemblaggio in fibre e cellule e come segnali chimici.
In questo lavoro, Mengmeng Sun e un team di scienziati hanno presentato un nuovo approccio per ottenere la motilità 3D dei collettivi colloidali senza dispersione. Il collettivo colloidale era costituito da particelle colloidali di ferro ferrofluidico con un diametro inferiore a 1 μm, guidate da un campo magnetico rotante su misura per autoassemblarsi in un collettivo dinamico e stabile.
Il team si è concentrato sul flusso convettivo ottico utilizzando correnti fluide per la deriva 3D, bioispirate dal plancton. Sun e il team hanno discusso i metodi per le transizioni dei collettivi colloidali per esaminare le loro capacità di locomozione, sulle superfici dell'acqua. I risultati sono culminati in collettivi colloidali con mobilità 3D per adattarsi ad ambienti complessi con intelligenza fisica per la locomozione, l'autoassemblaggio e la regolazione.
Sun e il gruppo di ricerca hanno adottato una strategia di attuazione bimodale dei campi magnetici e ottici per realizzare la locomozione 3D dei collettivi colloidali.
Nella prima fase, hanno innescato la formazione di collettivi colloidali incorporando un campo magnetico contenente tre parametri regolabili, tra cui angolo di inclinazione, frequenza e forza. Inizialmente, in assenza di un campo magnetico, i colloidi ferrofluidici mostravano un movimento browniano dopo la sedimentazione.
Una volta energizzati dal campo magnetico rotante su misura, si autoassemblavano per formare piccoli collettivi primitivi noti come collettivi colloidali di non equilibrio che continuavano ad aumentare di dimensioni e a fondersi con le particelle vicine per contribuire alla loro crescita; gli scienziati lo hanno confermato utilizzando simulazioni.
La morfologia del collettivo colloidale dipendeva dalla forza e dalla frequenza del campo magnetico applicato, che permetteva al collettivo di mantenere la sua integrità, innescando la formazione e il mantenimento della sua stabilità dinamica.
Gradiente di temperatura
Le particelle colloidali di ferrofluido disperse hanno assorbito la luce del vicino infrarosso per convertirla in energia termica, dando origine a un gradiente di temperatura locale. Il gradiente di temperatura ha indotto un flusso convettivo per trasportare le particelle verso l'alto per riunirle in un collettivo con un effetto fototermico potenziato. Ciò ha portato al mantenimento di un'entità dinamicamente stabile, senza disintegrarsi.
In assenza di un campo ottico nel vicino infrarosso, il collettivo colloidale si è raffreddato con una forza idrodinamica indebolita per affondare progressivamente sotto gravità.
Questi campioni hanno quindi regolato il campo ottico per la convezione e hanno ottenuto un movimento verticale verso l'alto, in bilico e orizzontale direzionale. Poiché la forza idrodinamica era maggiore della gravità, la convezione spingeva il collettivo verso l’alto verticalmente, consentendo al collettivo colloidale di librarsi sott’acqua. Regolando il campo ottico, Sun e il team hanno diretto il movimento del collettivo colloide e hanno regolato le loro posizioni sott'acqua.
Gli scienziati hanno studiato la capacità del collettivo colloidale di sfondare la superficie dell'acqua utilizzando il flusso di convezione indotto; per indicare come i campioni sono usciti con successo dall'acqua superando la tensione superficiale dell'acqua.
I collettivi colloidali hanno superato la tensione superficiale e la gravità per transizioni ben regolate attraverso la superficie dell'acqua per immergersi nell'acqua nel luogo e nel momento desiderati. I ricercatori hanno analizzato i costrutti utilizzando la galleggiabilità, la forza idrodinamica derivante dalla convezione, la tensione superficiale e la gravità.
Sun e il suo team hanno esplorato questi effetti sui collettivi di microrobot convenzionali per introdurre interazioni spazialmente simmetriche per la locomozione sott'acqua e sulla superficie dell'acqua. Il team ha utilizzato campi magnetici e ottici per guidare il movimento di tali collettivi di microrobot sulla superficie dell'acqua, dove scalavano il menisco dell'acqua per il trasporto guidati da un campo ottico. Tali strumenti noti come camminatori di superficie possono attraversare ostacoli più grandi delle loro stesse dimensioni e aggirare barriere elevate per applicazioni nel campo delle scienze ambientali, della medicina e dell'ingegneria.
In questo modo, Mengmeng Sun e colleghi sono stati bioispirati dai meccanismi di migrazione del plancton per spingere i collettivi colloidali a muoversi nello spazio 3D senza confini. Il team ha combinato campi magnetici e ottici per una locomozione 3D ben formata e regolata di collettivi colloidali attivi in un ambiente acquatico, con i campi ottici e magnetici combinati per facilitare la locomozione 3D.
Questi sedimenti e sistemi colloidali forniscono un potente processo per esplorare la fisica dell'autoassemblaggio e sviluppare un metodo pratico per sintetizzare materiali funzionali.
I sistemi viventi possono formare collettivi colloidali autoassemblati sotto campi magnetici esterni, per creare strutture che possono essere guidate attraverso spazi e interfacce, per ottenere geometrie e modelli insoliti.
Sun e il team intendono indagare questi collettivi e la loro complessità per la sintesi e la progettazione dei materiali. Questi costrutti a doppia risposta possono funzionare come collettivi di microrobot per l'adattabilità ambientale con applicazioni pratiche in biofluidi ad alta viscosità e alte concentrazioni ioniche con ampie applicazioni nell'ingegneria biomedica.
Ulteriori informazioni: Mengmeng Sun et al, Collettivi colloidali autoassemblati bioispirati alla deriva in tre dimensioni sott'acqua, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4201
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