Diseño conceptual para conducción óptica y dirección de micro nadadores opto-termoeléctricos. (a) Bajo campos de luz, Las partículas de PS / Au Janus están configuradas para nadar y rotar alternativamente para seguir una ruta predefinida. (b) Tras la irradiación de luz sobre una partícula de Janus, un gradiente de temperatura ∇T que apunta desde el lado PS al lado Au se genera en la superficie de la partícula debido a la absorción asimétrica de PS y Au. (c) Una vez que la partícula de Janus se dispersa en una solución de CTAC 0,2 mM, se induce un campo termoeléctrico para impulsar la partícula de Janus a lo largo del gradiente de temperatura. Los símbolos "+" blancos indican la superficie cargada positivamente. En b, C, el calentamiento asimétrico y el campo termoeléctrico bajo un rayo láser desenfocado se muestran en el plano X – Z. (d) Ilustración esquemática ye calentamiento asimétrico de la partícula Janus cuando se configura para rotar (como lo muestra la flecha marrón) en el plano X – Y por otro rayo láser enfocado (indicado por la región verde rodeada por un círculo punteado). En d, mi, el rayo láser desenfocado se apaga Crédito:Luz:Ciencia y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
En un informe reciente, Xiaolei Peng y un equipo de científicos en ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Texas, NOSOTROS., y la Universidad de Tsinghua, Porcelana, desarrollaron micro nadadores opto-termoeléctricos bioinspirados por los comportamientos de movimiento de Escherichia coli (E. coli). Diseñaron los micro nadadores utilizando partículas de Janus de oro dieléctricas impulsadas por un campo eléctrico autosostenido que surge de la respuesta optotérmica de las partículas. Cuando iluminaron las construcciones con un rayo láser, las partículas de Janus mostraron un gradiente de temperatura generado ópticamente a lo largo de las superficies de las partículas, formando un campo opto-termoeléctrico para impulsarse.
El equipo descubrió la dirección de nado de los micro nadadores basándose en la orientación de la partícula. Propusieron un nuevo enfoque optomecánico para comprender la dirección de navegación de los micro nadadores que se basaban en un campo eléctrico inducido por gradiente de temperatura, utilizando un rayo láser enfocado. Al medir el tiempo del segundo rayo láser de rotación en la configuración, colocaron las partículas en cualquier orientación deseada para controlar eficientemente la dirección de natación. Mediante el uso de imágenes ópticas de campo oscuro y un algoritmo de control de retroalimentación, los científicos facilitaron la propulsión automatizada del micro nadador. Los micro nadadores opto-termoeléctricos tendrán aplicaciones en sistemas coloidales, administración de fármacos dirigida y detección biomédica. La investigación ahora se publica en Nature Light:ciencia y aplicaciones .
Micro nadadores
Los micro nadadores son una clase de micromáquinas que pueden convertir sustancias químicas externas, energía acústica o electromagnética en movimiento de natación. Estas máquinas se pueden utilizar para diversas aplicaciones biomédicas que van desde la administración de fármacos dirigida hasta la nanocirugía de precisión y la detección de diagnóstico. En este trabajo, Peng y col. utilizaron micro nadadores totalmente ópticos basados en partículas de Janus en un campo eléctrico generado de forma optotérmica para construir micro nadadoras opto-termoeléctricas que imitaban el movimiento de "correr y caer" de las células de E. coli. En su mecanismo de acción, la absorción de luz asimétrica de una partícula de Janus bajo la irradiación de un rayo láser provocó un gradiente de temperatura autogenerado para un campo opto-termoeléctrico resultante que impulsó la partícula a lo largo. Los científicos impulsaron el proceso utilizando dos rayos láser, donde el segundo rayo láser enfocado desencadenó la rotación en el plano de las partículas individuales de Janus bajo calentamiento óptico. El equipo logró una rotación de partículas estable debido a la fuerza termoeléctrica, fuerza óptica y stokes fuerza de arrastre en la configuración. Peng y col. investigó más a fondo los mecanismos de trabajo acoplando experimentos con teoría y simulaciones.
Una partícula de Natación de 2,1 μm de PS / Au Janus en una solución de CTAC (cloruro de cetiltrimetilamonio) 0,2 mM. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5 
Para facilitar la conversión de energía de fotón a fonón (luz a sonido), El equipo desarrolló nadadores opto-termoeléctricos cubriendo la mitad de una fina capa de oro (Au) en la superficie de perlas de poliestireno (PS). Tras la irradiación de luz, la diferencia de absorción entre PS y Au creó un gradiente de temperatura en la superficie de la partícula de PS / Au Janus. Peng y col. Dispersó las partículas de Janus en una solución acuosa para convertir la energía térmica en energía mecánica. Cuando es impulsado por el campo termoeléctrico e irradiado por un rayo láser, las partículas de Janus migraron a lo largo de la dirección PS-a-Au para demostrar el estado de natación. Sin embargo, Las fluctuaciones térmicas podrían cambiar las orientaciones de las partículas de Janus haciendo que se desvíen de sus cursos durante la migración. Para mantener el rumbo objetivo, los científicos apagaron el rayo láser desenfocado y usaron un rayo láser enfocado para rotar y atrapar las partículas de Janus para reorientarlas. Al llegar a su orientación destinada, apagaron el rayo láser enfocado y devolvieron las partículas de Janus al rayo láser desenfocado para devolverlas al estado de natación. Este proceso de conmutación de dos estados proporcionó el mejor diseño posible para navegar activamente por los micro nadadores para una variedad de funcionalidades.
Natación opto-termoeléctrica de partículas de PS / Au Janus bajo un rayo láser desenfocado. (a) Ilustración esquemática del mecanismo de natación. La velocidad se dirige desde el hemisferio PS al hemisferio recubierto de Au. (b) Velocidad de natación en función de la potencia óptica para partículas de 5 µm PS / Au Janus. Se aplicó un rayo láser de 660 nm con un tamaño de rayo de 31 µm para impulsar la natación. (c) Imágenes de resolución temporal de una partícula de PS / Au de 2,1 µm nadando. Se aplicó un rayo láser de 1064 nm con un tamaño de haz de 31 µm y una potencia de 32 mW para impulsar la natación. (d) Velocidad de nado en función de la potencia óptica para partículas de 2,1 µm PS / Au Janus. Dos rayos láser diferentes, es decir., un rayo láser de 1064 nm con un tamaño de haz de 45 µm y un rayo láser de 660 nm con un tamaño de haz de 45 µm, se aplicaron para impulsar la natación. Las inserciones de b, d muestra una partícula de PS / Au Janus impulsada a nadar bajo un rayo láser desenfocado. Todos los tamaños de haz mencionados anteriormente se obtuvieron mediante medición experimental. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
Control opto-termoeléctrico de natación y orientación
Cuando Peng et al. usó un rayo láser desenfocado para el movimiento dirigido de micro nadadores opto-termoeléctricos, lograron una "piscina de energía" para las partículas de Janus. Llamaron al movimiento a lo largo del gradiente de temperatura autogenerado como autotermoforesis. En la solución circundante de cloruro de cetiltrimetilamonio (CTAC), La autotermoforesis surgió de los efectos termoeléctricos para permitir el movimiento característico de las partículas. El equipo pudo reducir el grosor de la cámara de la configuración experimental para estabilizar el flujo fluídico y facilitar el transporte direccional de las partículas de Janus. Dado que la orientación de las partículas de Janus podría cambiarse aleatoriamente a través de fluctuaciones térmicas, el equipo utilizó un segundo rayo láser enfocado para lograr la rotación de partículas y navegar de manera eficiente en la dirección de natación. Lo lograron cambiando los rayos láser para analizar cuantitativamente la partícula Janus giratoria y extraer su posición en tiempo real. así como datos de orientación.
Cuando la potencia del láser aumentó, la rotación de partículas también aumentó, aunque el aumento continuo de la potencia del láser provocó fuertes efectos de calentamiento y daño térmico a la partícula Janus. La velocidad de rotación dependía del tamaño de partícula. Para comprender la fuerza termoeléctrica, Peng y col. simuló la distribución de temperatura en las superficies de partículas de PS / Au Janus. Luego calcularon la fuerza termoeléctrica y la fuerza óptica para comprender la dinámica de rotación. El equipo llevó a cabo más investigaciones para comprender el comportamiento de autoalineación de la partícula Janus.
Control de la orientación de las partículas de PS / Au Janus con un rayo láser enfocado. (a) Configuración y (b) imagen de campo oscuro correspondiente de una partícula libre de 2,7 µm PS / Au Janus en el plano X – Z. (c) Configuración y (d) correspondiente imagen de campo oscuro de una partícula giratoria de 2,7 µm PS / Au Janus en el plano X – Z. (e) Imágenes de campo oscuro con resolución temporal de la rotación de una partícula de 2,7 µm de PS / Au Janus. El medio cian Las partículas medio doradas en los recuadros ilustran las configuraciones correspondientes, mientras que las flechas marrón en los recuadros ilustran las orientaciones. El punto verde en las inserciones representa el rayo láser (con una longitud de onda de 532 nm). (f) Desplazamiento del centro de la partícula Janus de 2,7 µm en función del tiempo. El centro del haz se establece como el origen de las coordenadas. Las curvas sinusoidales de ajuste indican una rotación circular. (g) Evolución de la orientación de la partícula Janus de 2,7 µm en función del tiempo. La onda de diente de sierra adecuada indica una dirección constante de la orientación. (h) Velocidad de rotación en función de la potencia óptica para partículas de 2,7 µm de PS / Au Janus. En anuncio, por una partícula de Janus gratis, no se observó ningún límite en el hemisferio de partículas en la imagen óptica de campo oscuro porque la parte recubierta de Au tendía a alinearse con la dirección de la gravedad. A diferencia de, cuando se inició la rotación en el plano de la partícula Janus, la interfaz PS-Au se volvió perpendicular al sustrato debido al efecto coordinado de la fuerza termoeléctrica y la fuerza óptica. Se observó un anillo asimétrico en la imagen óptica de campo oscuro, con el medio anillo más brillante correspondiente al recubrimiento de Au debido a su mayor dispersión óptica. El recuadro ilustra la rotación bajo un rayo láser verde (con una longitud de onda de 532 nm). El tamaño del rayo láser en el plano de la muestra es de 2,65 µm para e, h. Se aplicó una potencia de 1,9 mW para la rotación en (e) Control de la orientación de las partículas de PS / Au Janus con un rayo láser enfocado. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
Método de control de retroalimentación
Luego, el equipo estableció un algoritmo de retroalimentación para facilitar la navegación activa y dirigir la dirección de nado de las partículas de Janus. Para lograr el control de bucle cerrado, desarrollaron un programa de computadora para rastrear la posición y orientación en tiempo real de una partícula de Janus dada y coordinaron automáticamente el sistema de control. En la configuración experimental, dos persianas controladas por computadora dictaban los estados de encendido / apagado de dos rayos láser individuales. Los científicos impulsaron con éxito la natación direccional de las partículas de Janus, donde un aumento en la velocidad de rotación redujo la precisión de control de la dirección de nado. Para dar cuenta de esto, Peng y col. utilizó una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD) de mayor velocidad de fotogramas para mejorar significativamente la precisión del control de retroalimentación. Luego demostraron la navegación activa de las partículas de PS / Au Janus utilizando el algoritmo de control de retroalimentación para el transporte dirigido de nadadores opto-termoeléctricos. El trabajo indicó el potencial de los micronadadores opto-termoeléctricos para transportar moléculas de fármacos y partes no metálicas para una entrega precisa con aplicaciones potenciales en la entrega de nano / micro-fármacos dirigidos.
Natación direccional y transporte dirigido de partículas de PS / Au Janus con un método de control de retroalimentación. (a) Ilustración esquemática de la natación direccional con control de retroalimentación en las imágenes registradas experimentalmente, donde se empleó un rayo láser verde enfocado y un rayo láser rojo desenfocado para navegar y conducir la natación, respectivamente. (b) Diagrama de flujo del método de control de retroalimentación. (c) Configuración óptica y disposición mecánica para el método de control de retroalimentación. (d) Trayectorias de partículas de 5 µm PS / Au Janus nadando en diferentes direcciones. (e) Entrega dirigida de una partícula de PS / Au Janus de 5 µm a una partícula de PS de 10 µm. Se utilizó un rayo láser de 5 µm 532 nm con una potencia de 2,6 mW para impulsar la rotación, mientras que se aplicó un rayo láser de 660 nm con un tamaño de haz de 31 µm y una potencia de 160-200 mW para impulsar la natación. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
De este modo, Xiaolei Peng y sus colegas desarrollaron micro nadadores opto-termoeléctricos con activación y navegación totalmente ópticas. Lo lograron aprovechando el acoplamiento opto-termoeléctrico de las partículas de Janus. El calor generado por las partículas de Janus irradiadas con luz creó un campo termoeléctrico para impulsar las partículas en una dirección específica sin combustible químico. Utilizaron un rayo láser enfocado para dirigir la orientación de los micro nadadores y controlaron la rotación de las partículas de Janus con un segundo rayo. El mecanismo se puede explorar más a fondo para desarrollar microrobots inteligentes para múltiples tareas en biomedicina.
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