Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han descubierto que las partículas minúsculas autopropulsadas llamadas "nano nadadores" pueden escapar de los laberintos hasta 20 veces más rápido que otras partículas pasivas, allanando el camino para su uso en todo, desde limpiezas industriales hastaentrega de medicamentos.
Los hallazgos, publicados esta semana en Actas de la Academia Nacional de Ciencias , describa cómo estos diminutos nanorobots sintéticos son increíblemente efectivos para escapar de las cavidades dentro de entornos similares a laberintos. Estos nanosnadores podrían algún día usarse para remediar el suelo contaminado, mejorar la filtración de agua o incluso administrar medicamentos a áreas específicas del cuerpo, como dentro de densostejidos.
"Este es el descubrimiento de un fenómeno completamente nuevo que apunta a una amplia gama potencial de aplicaciones", dijo Daniel Schwartz, autor principal del artículo y profesor de ingeniería química y biológica de Glenn L. Murphy.
Estos nanosnadores llamaron la atención de la comunidad de la física teórica hace unos 20 años, y la gente imaginó una gran cantidad de aplicaciones del mundo real, según Schwartz. Pero, lamentablemente, estas aplicaciones tangibles aún no se han realizado, en parte porque ha sido bastantedifícil de observar y modelar su movimiento en entornos relevantes, hasta ahora.
Estos nano nadadores, también llamados partículas de Jano nombrados en honor a un dios romano de dos cabezas, son pequeñas partículas esféricas compuestas de polímero o sílice, diseñadas con diferentes propiedades químicas en cada lado de la esfera. Un hemisferio promueve que ocurran reacciones químicas,pero no el otro. Esto crea un campo químico que permite que la partícula tome energía del medio ambiente y la convierta en movimiento direccional, también conocido como autopropulsión.
"En biología y organismos vivos, la propulsión celular es el mecanismo dominante que hace que ocurra el movimiento y, sin embargo, en aplicaciones de ingeniería, rara vez se usa. Nuestro trabajo sugiere que hay mucho que podemos hacer con la autopropulsión", dijo.Schwartz.
En contraste, las partículas pasivas que se mueven aleatoriamente un tipo de movimiento conocido como movimiento browniano se conocen como partículas brownianas. Llevan el nombre del científico del siglo XIX Robert Brown, quien estudió cosas como el movimiento aleatorio de los granos de polen suspendidosen agua.
Los investigadores convirtieron estas partículas brownianas pasivas en partículas de Janus nano nadadores para esta investigación. Luego hicieron que estos nano nadadores autopropulsados intentaran moverse a través de un laberinto, hecho de un medio poroso, y compararon la eficiencia y eficacia con que encontraron rutas de escape.en comparación con las partículas pasivas brownianas.
Los resultados fueron impactantes, incluso para los investigadores.
Las partículas de Janus fueron increíblemente efectivas para escapar de las cavidades dentro del laberinto, hasta 20 veces más rápido que las partículas brownianas, porque se movieron estratégicamente a lo largo de las paredes de la cavidad en busca de agujeros, lo que les permitió encontrar las salidas muy rápidamente.Su autopropulsión también pareció darles un impulso de energía necesario para pasar a través de los orificios de salida dentro del laberinto.
"Sabemos que tenemos muchas aplicaciones para nanorobots, especialmente en entornos muy reducidos, pero no sabíamos realmente cómo se mueven y cuáles son las ventajas en comparación con las partículas brownianas tradicionales. Por eso comenzamos una comparación entre estos dos", dijo Haichao Wu, autor principal del artículo y estudiante de posgrado en ingeniería química y biológica." Y descubrimos que los nano nadadores pueden utilizar una forma totalmente diferente de buscar en estos entornos laberínticos ".
Si bien estas partículas son increíblemente pequeñas, alrededor de 250 nanómetros, un poco más anchas que un cabello humano 160 nanómetros pero aún mucho, mucho más pequeñas que la cabeza de un alfiler 1-2 milímetros, el trabajo es escalable.significa que estas partículas podrían navegar e impregnar espacios tan microscópicos como el tejido humano para transportar carga y entregar drogas, así como a través del suelo subterráneo o playas de arena para eliminar contaminantes no deseados.
Enjambres de nano nadadores
El siguiente paso en esta línea de investigación es comprender cómo se comportan los nano nadadores en grupos dentro de ambientes confinados, o en combinación con partículas pasivas.
"En entornos abiertos, se sabe que los nanosnadores muestran un comportamiento emergente, un comportamiento que es más que la suma de sus partes, que imita el movimiento de enjambre de bandadas de aves o bancos de peces. Eso ha sido gran parte del impulso paraestudiándolos ", dijo Schwartz.
Uno de los principales obstáculos para alcanzar este objetivo es la dificultad que implica poder observar y comprender el movimiento 3D de estas pequeñas partículas en lo profundo de un material que comprende espacios complejos interconectados.
Wu superó este obstáculo utilizando líquido de índice de refracción en el medio poroso, que es un líquido que afecta la rapidez con que la luz viaja a través de un material. Esto hizo que el laberinto fuera esencialmente invisible, al tiempo que permitía la observación del movimiento de partículas 3D utilizando una técnica conocida como doble-Microscopía de función de extensión del punto de hélice.
Esto le permitió a Wu rastrear las trayectorias tridimensionales de las partículas y crear representaciones visuales, un avance importante con respecto al modelado 2D típico de nanopartículas. Sin este avance, no sería posible comprender mejor el movimiento y el comportamiento de individuos o grupos.de los nano nadadores.
"Este documento es el primer paso: proporciona un sistema modelo y la plataforma de imágenes que nos permite responder estas preguntas", dijo Wu. "El siguiente paso es utilizar este modelo con una población más grande de nanosnadores, para estudiar cómoson capaces de interactuar entre sí en un entorno confinado ".
Benjamin Greydanus del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de CU Boulder es coautor de esta publicación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Original escrito por Kelsey Simpkins. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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