Исследователи Калифорнийского университета в Боулдере обнаружили, что крохотные самодвижущиеся частицы, называемые «нанопловцами», могут выбираться из лабиринтов в 20 раз быстрее, чем другие пассивные частицы, что открывает путь к их использованию во всем, от промышленной очистки до доставки лекарств.

Выводы, опубликованные на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences , описывают, как эти крошечные синтетические нанороботы невероятно эффективны при выходе из полостей в лабиринтной среде. Эти нанопловцы однажды могут быть использованы для очистки загрязненной почвы, улучшения фильтрации воды или даже для доставки лекарств в целевые участки тела, например, в плотные ткани.

«Это открытие совершенно нового явления, которое указывает на широкий потенциальный спектр приложений», — сказал Дэниел Шварц , старший автор статьи и профессор химической и биологической инженерии Гленна Л. Мерфи.

По словам Шварца, эти нанопловцы привлекли внимание сообщества физиков-теоретиков около 20 лет назад, и люди вообразили множество реальных приложений. Но, к сожалению, эти материальные приложения еще не реализованы, отчасти потому, что было довольно сложно наблюдать и моделировать их движение в соответствующих средах — до сих пор.

Эти нанопловцы, также называемые частицами Януса (названными в честь римского двуглавого бога), представляют собой крошечные сферические частицы, состоящие из полимера или кремнезема, с разными химическими свойствами на каждой стороне сферы. Одно полушарие способствует протеканию химических реакций, а другое нет. Это создает химическое поле, которое позволяет частице брать энергию из окружающей среды и преобразовывать ее в направленное движение, также известное как самодвижение.

«В биологии и живых организмах клеточное движение является доминирующим механизмом, вызывающим движение, и все же в инженерных приложениях оно используется редко. Наша работа показывает, что мы можем многое сделать с самодвижением», — сказал Шварц.

Напротив, пассивные частицы, которые движутся случайным образом (своего рода движение, известное как броуновское движение), известны как броуновские частицы. Они названы в честь ученого 19-го века Роберта Брауна, который изучал такие вещи, как случайное движение пыльцевых зерен, взвешенных в воде.

Исследователи преобразовали эти пассивные броуновские частицы в частицы Януса (нанопловцы) для этого исследования. Затем они заставили этих самодвижущихся нанопловцов попытаться переместиться через лабиринт, сделанный из пористой среды, и сравнили, насколько эффективно они находят пути отхода по сравнению с пассивными броуновскими частицами.

Результаты были шокирующими даже для исследователей.

Частицы Януса были невероятно эффективны при выходе из полостей в лабиринте — в 20 раз быстрее, чем броуновские частицы, — потому что они стратегически двигались вдоль стенок полости в поисках отверстий, что позволяло им очень быстро находить выходы. Их самодвижение также, по-видимому, давало им прилив энергии, необходимый для прохождения через выходные отверстия в лабиринте.

«Мы знаем, что у нас есть много применений для нанороботов, особенно в очень замкнутых средах, но мы действительно не знали, как они двигаются и в чем преимущества по сравнению с традиционными броуновскими частицами. Вот почему мы начали сравнение между ними», — сказал Хайчао Ву , ведущий автор статьи и аспирант в области химической и биологической инженерии. «И мы обнаружили, что нанопловцы могут использовать совершенно другой способ поиска в этих лабиринтах».

Хотя эти частицы невероятно малы, около 250 нанометров — чуть шире человеческого волоса (160 нанометров), но все же намного меньше булавочной головки (1–2 миллиметра), — работа масштабируема. Это означает, что эти частицы могут перемещаться и проникать в такие микроскопические пространства, как человеческая ткань, для перевозки грузов и доставки лекарств, а также через почву под землей или песчаные пляжи для удаления нежелательных загрязнителей.

Роящиеся нанопловцы

Следующим шагом в этом направлении исследований является понимание того, как нанопловцы ведут себя в группах в замкнутых средах или в сочетании с пассивными частицами.

«Известно, что в открытой среде нанопловцы демонстрируют эмерджентное поведение — поведение, которое представляет собой нечто большее, чем сумма его частей, — которое имитирует роевое движение стай птиц или косяков рыб. Это послужило большим стимулом для их изучения», — сказал Шварц.

Одним из основных препятствий для достижения этой цели является сложность наблюдения и понимания трехмерного движения этих крошечных частиц глубоко внутри материала, состоящего из сложных взаимосвязанных пространств.

Ву преодолел это препятствие, используя жидкость с показателем преломления в пористой среде, которая влияет на скорость прохождения света через материал. Это сделало лабиринт практически невидимым, но в то же время позволило наблюдать за трехмерным движением частиц с помощью метода, известного как микроскопия функции рассеяния точки двойной спирали.

Это позволило Ву отслеживать трехмерные траектории частиц и создавать визуальные представления, что является большим шагом вперед по сравнению с типичным двумерным моделированием наночастиц. Без этого достижения было бы невозможно лучше понять движения и поведение отдельных людей или групп нанопловцов.

«Эта статья — первый шаг: она предоставляет модельную систему и платформу визуализации, которая позволяет нам ответить на эти вопросы», — сказал Ву. «Следующий шаг — использовать эту модель с большей популяцией нанопловцов, чтобы изучить, как они могут взаимодействовать друг с другом в ограниченной среде».