Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han descubierto que minúsculos, Las partículas 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 hasta entrega de medicamentos.

Los resultados, publicado esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , describen cómo estos diminutos nanorobots sintéticos son increíblemente efectivos para escapar de las cavidades dentro de entornos similares a laberintos. Estos nano nadadores 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 tejidos densos.

"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 nano nadadores llamaron la atención de la comunidad de 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 bastante difícil observar y modelar su movimiento en entornos relevantes, hasta ahora.

Estos nano nadadores, también llamadas partículas de Jano (el nombre de un dios romano de dos cabezas), son pequeñas partículas esféricas compuestas de polímero o sílice, diseñado con diferentes propiedades químicas en cada lado de la esfera. Un hemisferio promueve la ocurrencia de 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 se produzca el movimiento. y todavía, en aplicaciones de ingeniería, rara vez se usa. Nuestro trabajo sugiere que podemos hacer mucho con la autopropulsión, "dijo Schwartz.

A diferencia de, 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, que estudió cosas como el movimiento aleatorio de los granos de polen suspendidos en el 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 la que encontraron rutas de escape en comparación con las partículas pasivas brownianas.

Los resultados fueron impactantes, incluso a 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 ancho que un cabello humano (160 nanómetros), pero aun mucho, mucho más pequeño que la cabeza de un alfiler (1-2 milímetros), el trabajo es escalable. Esto significa que estas partículas podrían navegar e impregnar espacios tan microscópicos como el tejido humano para transportar carga y entregar medicamentos. así como a través del suelo subterráneo o playas de arena para eliminar contaminantes no deseados.

Nano nadadores enjambres

El siguiente paso en esta línea de investigación es comprender cómo se comportan los nano nadadores en grupos dentro de entornos confinados, o en combinación con partículas pasivas.

"En entornos abiertos, Se sabe que los nano nadadores muestran un comportamiento emergente, un comportamiento que es más que la suma de sus partes, que imita el movimiento de enjambre de bandadas de pájaros o bancos de peces. Eso ha sido un gran impulso para estudiarlos, "dijo Schwartz.

Uno de los principales obstáculos para alcanzar este objetivo es la dificultad para poder observar y comprender el movimiento 3D de estas diminutas 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 velocidad a la que viaja la luz a través de un material. Esto hizo que el laberinto fuera esencialmente invisible, al tiempo que permite la observación del movimiento de partículas en 3D utilizando una técnica conocida como microscopía de función de dispersión de puntos de doble hélice.

Esto permitió a Wu rastrear 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 nano nadadores.

"Este documento es el primer paso:proporciona un sistema modelo y la plataforma de imágenes que nos permite responder a estas preguntas, ", dijo Wu." El siguiente paso es utilizar este modelo con una población más grande de nano nadadores, para estudiar cómo pueden interactuar entre sí en un entorno confinado ".