Um torso de um só torso, nadador de um braço feito de partículas magneticamente ligadas se move sob a influência de um campo magnético excêntrico. Os pesquisadores da Rice University acreditam que ele representa a forma mais simples possível de locomoção. Crédito:Biswal Lab
Cientistas da Rice University descobriram o que pode ser a forma mais simples de locomoção nas viagens de partículas em escala mícron ligadas e impulsionadas por um campo magnético.
No laboratório Rice da engenheira química e biomolecular Sibani Lisa Biswal, pesquisadores colocaram esferas magnetizadas de tamanhos diferentes em uma solução. Quando sujeito a um "campo magnético excêntrico, "as esferas automontadas e as esferas menores, preso por dobradiças virtuais, traçou órbitas ásperas de um lado de seus parceiros maiores.
Em essência, as pequenas contas reproduziam o movimento de um nadador com um braço só fazendo nado peito. Os pesquisadores descobriram que podiam manipular o campo magnético para direcionar os nadadores através do fluido a quase um mícron por minuto. A habilidade pode eventualmente torná-los adequados como veículos de entrega de drogas.
O fenômeno é o assunto de um artigo na revista Royal Society of Chemistry Matéria Macia .
"Tem havido muito interesse recente em matéria ativa e sistemas que mostram comportamento coletivo, "Biswal disse." Estamos acostumados a ver isso na forma como os pássaros voam ou as bactérias se aglomeram, mas agora podemos ver isso em materiais sintéticos que também mostram a capacidade de se acoplarem.
"Os campos magnéticos surgiram como uma forma de impulsionar as partículas para fazer coisas interessantes, " ela disse.
O ex-aluno de Rice e principal autor Di (Daniel) Du descobriu os nadadores enquanto estudava como as partículas coloidais paramagnéticas respondem a um campo magnético em rotação, o assunto de vários artigos recentes do laboratório Biswal.
“Um dia percebi que alguns deles nadavam, "Du disse." Eu estava muito interessado nisso, então eu investiguei esse fenômeno específico de locomoção sob baixo número de Reynolds. "Um número de Reynolds quantifica como os objetos se movem nos fluidos em relação à sua viscosidade, ele disse. "Então, se você vê natação, significa que algo está acontecendo.
"Descobrimos que, em algumas circunstâncias, especialmente sob um campo magnético excêntrico, essas partículas se auto-montam em um nadador e se torna o motivo, "Du disse.
Excêntrico significa que o ponto focal do campo magnético giratório não é o centro de um colóide, mas se move em torno de sua circunferência. Em seus experimentos, os pesquisadores descobriram que podiam controlar a órbita da pequena partícula alterando o fornecimento de energia para quatro eletroímãs controlados por computador que circundam a solução.
As partículas são fixadas apenas pelo campo magnético, dando ao menor liberdade para se mover em um movimento de natação com uma longa braçada de direção e uma curta braçada de retorno. Os pesquisadores chamaram isso de nado peito porque, como para nadadores humanos, o golpe não exige que rompam a superfície da solução.
Para manter o tema, Du chamou as partículas grandes de "torsos" e as pequenas de "braços". A capacidade de movimento dos nadadores permitiu-lhe afirmar que eles eram ainda mais simples do que os "nadadores mais simples possíveis" projetados pelo prêmio Nobel Edward Purcell. Purcell projetou dispositivos teóricos de três hastes rígidas conectadas por duas dobradiças, cada dobradiça representando um grau de liberdade, e os considerou a configuração mais simples para um dispositivo que poderia nadar "se você mover as dobradiças de uma maneira específica, "Du disse.
Um gráfico mostra o mecanismo por trás do que os pesquisadores da Rice University acreditam ser a forma mais simples de locomoção já descoberta, um par de partículas paramagnéticas que nadam com a ajuda de um campo magnético. À direita, a órbita única do braço é detalhada. Crédito:Biswal Lab
"Mas o nosso é realmente mais simples, " ele disse, "conforme eu diminuía o número de componentes rígidos do protótipo de Purcell."
Du disse que experimentos e simulações mostraram que nadadores com múltiplos torsos e braços podiam ser controlados, embora sua velocidade variasse dependendo da força do campo e - nas simulações - do movimento browniano, o onipresente, empurrar e puxar aleatoriamente de moléculas em gases e líquidos.
Em testes com nadadores de partículas múltiplas, Du disse, alguns braços se afastariam um pouco mais do torso do que outros. Como essa "fragmentação do braço" influenciou a velocidade do nadador, ajudou Du a sacudir teorias sobre como as partículas respondem ao movimento browniano.
"Só quando há movimento browniano é que vemos essa fragmentação, "disse ele." Com o movimento browniano, nossas simulações coincidem com os resultados experimentais; às vezes a fragmentação leva os nadadores a nadar mais devagar, e às vezes mais rápido. Sem movimento browniano, há uma diferença enorme. "
Estudos anteriores sobre o "teorema da vieira" mostraram que o movimento browniano pode influenciar o movimento das coisas com movimento recíproco, como uma vieira que simplesmente abre e fecha sem se propulsar, mas ainda se move aleatoriamente. Os braços dos nadadores de Du se movem de maneira não recíproca - a braçada de direção é mais longa do que a de retorno - mas ele mostrou que sua velocidade também é influenciada pelo movimento browniano.
Du disse que será possível anexar ligantes ou proteínas às partículas grandes para entrega às células ou outros locais biológicos, e todo o veículo pode ser movido com duas bobinas magnéticas em ângulos de 90 graus.
"Dessa forma, nadadores podem servir como micro-robôs, " ele disse.
