Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, A ETH em Zurique e a Universidade de Cambridge sintetizaram e analisaram micropartículas ativas autopropulsoras em um fluido e revertendo sua direção de propulsão dependendo do comprimento de onda da luz iluminante. Um artigo de pesquisa resumindo seu trabalho foi publicado recentemente em Nature Communications .

A matéria ativa engloba sistemas com elementos autopropulsores que retiram energia do ambiente e a convertem em energia cinética. Esta é atualmente uma disciplina ativa na física, abrangendo muitas escalas de tempo e comprimento, relativo, por exemplo., o comportamento dos pássaros em bandos (como murmurações de estorninhos), cardumes de peixes (como forma de proteção contra predadores), e também bactérias em biofilmes e outros micro-nadadores aquáticos. Ele se concentra no comportamento de elementos individuais e na compreensão de seus mecanismos de conversão de energia, interação e acoplamento com o meio ambiente tão importante para a sobrevivência, e sobre os efeitos coletivos e o surgimento de novos fenômenos em grandes populações. Ambos podem ser descritos com sucesso em diferentes níveis de precisão, a partir de modelos simplistas de granulação grossa mínima, e até simulações numéricas refinadas.

Bactérias, algas, espermatozóides, ciliados e outros organismos unicelulares são um grupo importante de nadadores ativos. Explorar a base física de sua dinâmica é muitas vezes complicado por sua imensa diversidade, complexidade biológica, e alta sensibilidade às condições externas. O micromundo aquático é, Contudo, regido pelas leis universais da dinâmica dos fluidos, que colocam limitações em todos os organismos.

Devido aos seus pequenos tamanhos - micrômetros, normalmente - e velocidades de natação não excedendo dezenas de comprimentos corporais por segundo, o fluxo ao redor deles é dominado por efeitos viscosos. Isso significa que as estratégias de natação de tubarões ou nadadores olímpicos falham completamente na competição em microescala. A natação em macroescala é baseada na inércia e no empurrão da água para trás rapidamente. Em microescala, os efeitos inerciais são desprezíveis e a água se comporta como um fluido muito viscoso, como mel ou xarope dourado. Imagine nadar em uma piscina cheia de mel - uma braçada de rastreamento seria muito exaustiva e altamente ineficaz. Portanto, microorganismos nadadores desenvolveram outras estratégias de propulsão baseadas na exploração da viscosidade. As bactérias costumam ter flagelos helicoidais, que eles usam para "enroscar" o fluido como um saca-rolhas. Acontece que no micromundo viscoso, esta estratégia permite uma locomoção eficaz. Organismos maiores, como ciliados (e Paramecium entre eles), têm corpos cobertos com milhares de cílios, parecendo um cabelo minúsculo. Eles os movem de forma coordenada, semelhante a uma onda mexicana em um estádio. Isso permite que o fluido seja arrastado ao longo da superfície da célula, e como resultado, a célula se impulsiona na direção oposta à propagação da onda ciliar.

A compreensão desses mecanismos inspirou o desenvolvimento de um novo campo de micro-nadadores sintéticos. A visão de projetar microrrobôs em laboratórios entusiasmou os pesquisadores por muitos anos devido às aplicações potencialmente amplas em diagnósticos, medicina e tecnologia, como a administração direcionada do medicamento dentro do corpo do paciente. Desta perspectiva, é de vital importância não apenas projetar esses nadadores, mas também para controlar seu movimento.

O mecanismo é explorado também em organismos multicelulares, por exemplo., cílios nos pulmões humanos e no trato reprodutivo são essenciais para o transporte de muco. E inspirou vários nadadores a usar o fenômeno da difusioforese. Para explicar isso, considere o exemplo de uma partícula de Janus, inspirado no deus romano com duas faces. Uma realização típica é uma micropartícula esférica com um hemisfério coberto de ouro, e o outro coberto de platina. Quando colocado em uma solução de peróxido de hidrogênio (H ₂ O ₂ ), o lado da platina catalisa a decomposição do peróxido em água e oxigênio. Em resultado, a concentração dos produtos desta reação no hemisfério da platina aumenta, e o desequilíbrio da concentração cria fluxo ao longo da superfície. Da mesma forma que os ciliados nadadores, o movimento do fluido ao longo da superfície causa o movimento da célula na direção oposta. Assim, o sistema converte localmente a energia química do ambiente em sua própria energia cinética. O mecanismo é universal, o ingrediente principal é a concentração não uniforme dos reagentes na superfície. Além disso, os gradientes químicos podem ser substituídos por um desequilíbrio de temperatura ou potencial eletrostático. Todos esses mecanismos foram confirmados experimentalmente em sistemas microscópicos. É importante notar que os tamanhos e velocidades de natação típicos desses nadadores sintéticos são comparáveis ​​às suas inspirações biológicas. Assim, explorando matéria ativa artificial, os cientistas obtêm uma visão adicional do micromundo da natação.

Muitos mecanismos de propulsão foram propostos e estão disponíveis para a matéria ativa sintética. O desafio continua sendo controlar o movimento de um nadador, ou programá-lo de forma que ele possa chegar a um local predefinido e, por exemplo, administrar um medicamento a uma parte escolhida do corpo. Alternativamente, pode ser dirigido por um estímulo externo, como radiação eletromagnética, campos elétricos ou magnéticos, ondas sonoras, ou temperatura não homogênea.

Um passo nessa direção é apresentado no novo artigo de pesquisadores da Universidade de Varsóvia, ETH em Zurique, e a Universidade de Cambridge, publicado recentemente em Nature Communications . Demonstra romance, partículas de Janus modificadas, movendo-se em um fluido sob a influência da iluminação externa, com a direção do movimento dependendo do comprimento de onda da luz incidente. As partículas com diâmetro de 3,5 mícrons foram feitas de anatase - um polimorfo de dióxido de titânio - com um hemisfério revestido de ouro. Quando iluminado com luz verde visível, as partículas se movem em direção à tampa de ouro, enquanto quando exposto à luz ultravioleta, eles invertem sua direção de movimento. As partículas foram sintetizadas pelo Dr. Hanumantha Rao Vutukuri e pelo Prof. Jan Vermant na ETH Zurich, onde todos os trabalhos experimentais foram realizados.

"Ao alterar o comprimento de onda da luz, ativamos diferentes mecanismos catalíticos nas superfícies das partículas, pelo qual podemos direcionar rapidamente o movimento de uma forma controlada ', diz o Dr. Maciej Lisicki, da Faculdade de Física, Universidade de Varsóvia. "Além disso, vemos dinâmicas coletivas muito interessantes:as partículas podem se atrair ou repelir, dependendo de sua orientação relativa e da cor da luz iluminante. Ajustando isso, observamos processos rápidos de fusão e fissão, que podemos controlar. "

A descrição do movimento em tal sistema requer considerar ambas as interações químicas das partículas embora seus campos de concentração não homogêneos dos reagentes criados em suas superfícies, bem como o fluxo hidrodinâmico provocado pela sua presença. O modelo teórico que permite descrever a dinâmica dessas novas partículas ativas foi construído pelo Dr. Maciej Lisicki (Varsóvia) e pelo Prof. Eric Lauga (Cambridge).

"Em tamanhos micrométricos, pensamos que o fluido em torno das partículas é muito viscoso, "diz Maciej Lisicki." Suas interações hidrodinâmicas são tão abrangentes. O movimento de cada partícula é sentido por todas as outras. "

Os pesquisadores, que há muito tempo trabalham nas aplicações da difusioforese para a síntese de nadadores artificiais e bombeamento em microescala, acredite que este romance, O mecanismo reversível e controlado de autopropulsão para partículas de Janus é um passo em direção a microrrobôs mais complexos que serão capazes de transportar cargas em escala celular. Também poderia ser usado para controlar o movimento coletivo em microescala por agitação local induzida por luz em suspensões de partículas ativas e misturas de coloides ativos e passivos suspensos em um fluido.