Un torso El nadador de un brazo hecho de partículas unidas magnéticamente se mueve bajo la influencia de un campo magnético excéntrico. Los investigadores de la Universidad de Rice creen que representa la forma de locomoción más simple posible. Crédito:Biswal Lab
Los científicos de la Universidad de Rice han descubierto lo que puede ser la forma más simple de locomoción en los viajes de partículas de escala micrométrica unidas e impulsadas por un campo magnético.
En el laboratorio de Rice de la ingeniera química y biomolecular Sibani Lisa Biswal, los investigadores colocaron esferas magnetizadas de diferentes tamaños en una solución. Cuando se somete a un "campo magnético excéntrico, "las esferas autoensambladas y las esferas más pequeñas, unido por bisagras virtuales, trazaron órbitas aproximadas a un lado de sus socios más grandes.
En esencia, las pequeñas cuentas replicaban el movimiento de un nadador con un solo brazo haciendo la braza. Los investigadores descubrieron que podían manipular el campo magnético para dirigir a los nadadores a través del fluido a casi una micra por minuto. La capacidad puede eventualmente hacerlos adecuados como vehículos de administración de fármacos.
El fenómeno es el tema de un artículo en la revista Royal Society of Chemistry. Materia blanda .
"Recientemente ha habido un gran interés en la materia activa y los sistemas que muestran un comportamiento colectivo, ", Dijo Biswal." Estamos acostumbrados a ver esto en la forma en que las aves acuden en bandada o las bacterias pero ahora podemos verlo en materiales sintéticos que también muestran capacidad para acoplarse entre sí.
"Los campos magnéticos han surgido como una forma de poder impulsar partículas para hacer algunas cosas interesantes, " ella dijo.
El alumno de Rice y autor principal, Di (Daniel) Du, descubrió a los nadadores mientras estudiaba cómo las partículas coloidales paramagnéticas responden a un campo magnético giratorio. el tema de varios artículos recientes del laboratorio de Biswal.
"Un día me di cuenta de que algunos de ellos nadan, "Dijo Du." Estaba muy interesado en esto, así que analicé este fenómeno de locomoción específico con un número de Reynolds bajo ". Un número de Reynolds cuantifica cómo se mueven los objetos en los fluidos en relación con su viscosidad, él dijo. "Así que si ves nadar, significa que algo está pasando.
"Descubrimos que, en algunas circunstancias, especialmente bajo un campo magnético excéntrico, estas partículas se autoensamblan en un nadador y se convierte en motivo, "Dijo Du.
Excéntrico significa que el punto focal del campo magnético giratorio no es el centro de un coloide, sino que se mueve alrededor de su circunferencia. En sus experimentos, los investigadores descubrieron que podían controlar la órbita de la pequeña partícula alterando la fuente de alimentación de cuatro electroimanes controlados por computadora que rodean la solución.
Las partículas están unidas solo por el campo magnético, dándole al más pequeño la libertad de moverse en un movimiento similar al de un nado con una brazada de conducción larga y una brazada de retorno corta. Los investigadores lo llamaron braza porque, como para los nadadores humanos, el trazo no requiere que rompa la superficie de la solución.
Para seguir con el tema, Du llamó a las partículas grandes "torsos" ya las pequeñas "brazos". La capacidad de los nadadores para moverse le permitió afirmar que eran incluso más simples que los "nadadores más simples posibles" diseñados por el premio Nobel Edward Purcell. Purcell diseñó dispositivos teóricos de tres varillas rígidas conectadas por dos bisagras, cada bisagra representa un grado de libertad, y consideró que eran la configuración más simple para un dispositivo que pudiera nadar "si mueve las bisagras de una manera específica, "Dijo Du.
Un gráfico muestra el mecanismo detrás de lo que los investigadores de la Universidad de Rice creen que es la forma más simple de locomoción descubierta hasta ahora. un par de partículas paramagnéticas que nadan con la ayuda de un campo magnético. A la derecha, se detalla la órbita única del brazo. Crédito:Biswal Lab
"Pero el nuestro es en realidad más simple, " él dijo, "ya que disminuí el número de componentes rígidos del prototipo de Purcell".
Du dijo que los experimentos y simulaciones mostraron que los nadadores con múltiples torsos y brazos podían controlarse. aunque su velocidad variaba dependiendo de la fuerza del campo y, en las simulaciones, del movimiento browniano, el omnipresente, empuje y tracción aleatorios de moléculas en gases y líquidos.
En pruebas con nadadores de partículas múltiples, Du dijo, algunos brazos se alejarían un poco más del torso que otros. Debido a que esta "fragmentación del brazo" influyó en la velocidad del nadador, ayudó a Du a cambiar las teorías sobre cómo las partículas responden al movimiento browniano.
"Solo cuando hay movimiento browniano vemos esta fragmentación, ", dijo." Con el movimiento browniano nuestras simulaciones coinciden con los resultados experimentales; a veces la fragmentación lleva a los nadadores a nadar más lento, ya veces más rápido. Sin movimiento browniano, hay una gran diferencia ".
Estudios previos sobre el "teorema de la vieira" mostraron que el movimiento browniano puede influir en el movimiento de las cosas con movimiento recíproco, como una vieira que simplemente se abre y se cierra sin propulsarse pero aún se mueve al azar. Los brazos de los nadadores de Du se mueven de forma no recíproca (la brazada de conducción es más larga que la brazada de retorno), pero demostró que su velocidad también está influenciada por el movimiento browniano.
Du dijo que será posible unir ligandos o proteínas a las partículas grandes para su entrega a las células u otras ubicaciones biológicas. y todo el vehículo podría moverse con dos bobinas magnéticas en ángulos de 90 grados.
"De ese modo, los nadadores podrían servir como micro-robots, " él dijo.
