Los sistemas de materia activa presentan comportamientos únicos que incluyen estructuras colectivas de autoensamblaje y migración colectiva. Sin embargo, los esfuerzos por realizar entidades colectivas en espacios sin soporte adherido a la pared, con el fin de realizar una locomoción tridimensional sin dispersión, son un desafío.
En un nuevo estudio, publicado en Science Advances , Mengmeng Sun y un equipo de investigación en ingeniería mecánica e inteligencia física en China y Alemania, se inspiraron en los mecanismos de migración del plancton y propusieron una estrategia de actuación bimodal combinando campos magnéticos y ópticos.
Mientras que el campo magnético desencadenó el autoensamblaje de partículas coloidales magnéticas para mantener numerosos coloides como una entidad dinámicamente estable, los campos ópticos permitieron a los colectivos coloidales generar flujo convectivo a través de efectos fototérmicos para la deriva 3D. Los colectivos realizaron locomoción 3D bajo el agua para proporcionar información sobre el diseño de dispositivos inteligentes y materiales inteligentes para materia activa sintética que puedan regular el movimiento colectivo en el espacio 3D.
La materia viva activa es omnipresente en la naturaleza y ofrece colectivos autoensamblados que pueden realizar tareas complejas que superan las capacidades individuales, que incluyen bandadas de pájaros y colonias de bacterias.
Bioinspirados en colectivos naturales, es posible examinar los coloides como componentes básicos de materiales, al igual que los átomos que forman los componentes básicos de moléculas y cristales. El autoensamblaje coloidal se puede estudiar como un método para fabricar nanoestructuras con implicaciones técnicas para construir electrónica a nanoescala, conversión o almacenamiento de energía, administración de fármacos y catalizadores.
El proceso de ensamblaje coloidal puede guiarse sobre un sustrato estampado o mediante ensamblaje de Langmuir-Blodgett, para ensamblaje en fibras y células, y como señales químicas.
En este trabajo, Mengmeng Sun y un equipo de científicos presentaron un nuevo enfoque para lograr motilidad 3D de colectivos coloidales sin dispersión. El colectivo coloidal estaba formado por partículas coloidales de hierro ferrofluídico con un diámetro inferior a 1 μm, impulsadas por un campo magnético giratorio adaptado para autoensamblarse en un colectivo dinámico estable.
El equipo se centró en el flujo convectivo óptico utilizando corrientes de fluidos para la deriva en 3D, bioinspiradas en el plancton. Sun y el equipo discutieron los métodos de transición de colectivos coloidales para examinar sus capacidades de locomoción en superficies de agua. Los resultados culminaron en colectivos coloidales con movilidad 3D para adaptarse a entornos complejos con inteligencia física para la locomoción, el autoensamblaje y la regulación.
Sun y el equipo de investigación adoptaron una estrategia de actuación bimodal de campos magnéticos y ópticos para realizar la locomoción 3D de colectivos coloidales.
En el primer paso, desencadenaron la formación de colectivos coloidales incorporando un campo magnético que contenía tres parámetros ajustables, incluidos el ángulo de tono, la frecuencia y la fuerza. Al principio, en ausencia de un campo magnético, los coloides ferrofluídicos exhibieron un movimiento browniano después de sedimentarse.
Una vez energizados por el campo magnético giratorio adaptado, se autoensamblaron para formar pequeños colectivos primitivos conocidos como colectivos coloidales de desequilibrio que continuaron aumentando de tamaño y fusionándose con partículas vecinas para contribuir a su crecimiento; Los científicos lo confirmaron mediante simulaciones.
La morfología del colectivo coloidal dependía de la fuerza y frecuencia del campo magnético aplicado, lo que permitió al colectivo mantener su integridad, desencadenando la formación y el mantenimiento de su estabilidad dinámica.
Gradiente de temperatura
Las partículas coloidales de ferrofluido dispersas absorbieron la luz del infrarrojo cercano para convertirla en energía térmica, dando lugar a un gradiente de temperatura local. El gradiente de temperatura indujo un flujo convectivo para transportar las partículas hacia arriba y reunirlas en un colectivo con un efecto fototérmico mejorado. Esto dio como resultado el mantenimiento de una entidad dinámicamente estable, sin desintegrarse.
En ausencia de un campo óptico del infrarrojo cercano, el colectivo coloidal se enfrió con una fuerza hidrodinámica debilitada para hundirse progresivamente bajo la gravedad.
Por lo tanto, estas muestras ajustaron el campo óptico para la convección y lograron un movimiento vertical hacia arriba, flotante y horizontal direccional. Dado que la fuerza hidrodinámica era mayor que la gravedad, la convección empujó al colectivo hacia arriba verticalmente, permitiendo que el colectivo coloidal flotara bajo el agua. Al regular el campo óptico, Sun y su equipo dirigieron el movimiento del colectivo coloide y ajustaron sus posiciones bajo el agua.
Los científicos investigaron la capacidad del colectivo coloidal para atravesar la superficie del agua mediante un flujo de convección inducida; para indicar cómo las muestras salieron exitosamente del agua al superar la tensión superficial del agua.
Los colectivos coloidales superaron la tensión superficial y la gravedad para realizar transiciones bien reguladas a través de la superficie del agua para sumergirse en el agua en el lugar y momento deseados. Los investigadores analizaron las construcciones utilizando flotabilidad, fuerza hidrodinámica de convección, tensión superficial y gravedad.
Sun y su equipo exploraron estos efectos en colectivos de microrobots convencionales para introducir interacciones espacialmente simétricas para la locomoción bajo el agua y en la superficie del agua. El equipo utilizó campos magnéticos y ópticos para impulsar el movimiento de dichos colectivos de microrobots en la superficie del agua, donde treparon por el menisco del agua para transportarse impulsado por un campo óptico. Estos instrumentos, conocidos como caminantes de superficie, pueden cruzar obstáculos más grandes que su propio tamaño y sortear barreras altas para aplicaciones en ciencias ambientales, medicina e ingeniería.
De esta manera, Mengmeng Sun y sus colegas se inspiraron bioinspiradamente en los mecanismos de migración del plancton para impulsar a los colectivos coloidales a moverse en el espacio 3D sin fronteras. El equipo combinó campos magnéticos y ópticos para una locomoción 3D bien formada y regulada de colectivos coloidales activos en un entorno acuático, con campos ópticos y magnéticos combinados para facilitar la locomoción 3D.
Estos sedimentos y sistemas coloidales proporcionan un proceso poderoso para explorar la física del autoensamblaje y desarrollar un método práctico para sintetizar materiales funcionales.
Los sistemas vivos pueden formar colectivos coloidales autoensamblados bajo campos magnéticos externos, para crear estructuras que pueden guiarse a través de espacios e interfaces, para lograr geometrías y patrones inusuales.
Sun y su equipo tienen la intención de investigar estos colectivos y su complejidad para la síntesis y el diseño de materiales. Estas construcciones de doble respuesta pueden funcionar como colectivos de microrobots para la adaptabilidad ambiental con aplicaciones prácticas en biofluidos con alta viscosidad y altas concentraciones iónicas con amplias aplicaciones en ingeniería biomédica.
Más información: Mengmeng Sun et al, Colectivos coloidales autoensamblados bioinspirados a la deriva en tres dimensiones bajo el agua, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4201
Información de la revista: Avances científicos
© 2023 Red Ciencia X
