Projeto conceitual para acionamento e direção ótica de micro-nadadores opto-termoelétricos. (a) Sob campos de luz, Partículas PS / Au Janus são configuradas para nadar e girar alternativamente para seguir um caminho predefinido. (b) Após a irradiação de luz em uma partícula de Janus, um gradiente de temperatura ∇T apontando do lado PS para o lado Au é gerado na superfície da partícula devido à absorção assimétrica de PS e Au. (c) Uma vez que a partícula de Janus é dispersa em uma solução de CTAC 0,2 mM, um campo termoelétrico é induzido para conduzir a partícula de Janus ao longo do gradiente de temperatura. Os símbolos brancos “+” indicam a superfície carregada positivamente. Em B, c, o aquecimento assimétrico e o campo termoelétrico sob um feixe de laser desfocado são mostrados no plano X – Z. (d) Ilustração esquemática e aquecimento assimétrico da partícula de Janus quando configurada para girar (como mostrado pela seta marrom) no plano XY por outro feixe de laser focalizado (indicado pela região verde cercada por um círculo tracejado). Em d, e, o feixe de laser desfocado está desligado Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
Em um relatório recente, Xiaolei Peng e uma equipe de cientistas em ciência de materiais e engenharia da Universidade do Texas, NÓS., e a Universidade Tsinghua, China, desenvolveu micro-nadadores opto-termoelétricos bioinspirados pelos comportamentos de movimento de Escherichia coli (E. coli). Eles projetaram os micro-nadadores usando partículas dielétricas de ouro de Janus impulsionadas por um campo elétrico auto-sustentado decorrente da resposta optotérmica das partículas. Quando eles iluminaram as construções com um feixe de laser, as partículas de Janus mostraram um gradiente de temperatura gerado opticamente ao longo das superfícies das partículas, formando um campo opto-termoelétrico para se propelirem.
A equipe descobriu a direção de natação dos micro-nadadores com base na orientação da partícula. Eles propuseram uma nova abordagem optomecânica para entender a direção de navegação de micro-nadadores que dependiam de um campo elétrico induzido por gradiente de temperatura, usando um feixe de laser focalizado. Ao cronometrar o segundo feixe de laser de rotação na configuração, eles posicionaram as partículas em qualquer orientação desejada para controlar com eficiência a direção do nado. Usando imagens ópticas de campo escuro e um algoritmo de controle de feedback, os cientistas facilitaram a propulsão automatizada de micro-ondas. Os micro-nadadores opto-termoelétricos terão aplicações em sistemas coloidais, administração de drogas direcionada e detecção biomédica. A pesquisa agora está publicada em Nature Light:Ciência e Aplicações .
Microswimmers
Os micro-nadadores são uma classe de micro-máquinas que podem converter produtos químicos externos, energia acústica ou eletromagnética em movimento de natação. Essas máquinas podem ser usadas para diversas aplicações biomédicas, desde a administração de medicamentos direcionados a nanocirurgia de precisão e detecção diagnóstica. Nesse trabalho, Peng et al. usou micro-nadadores totalmente ópticos baseados em partículas de Janus em um campo elétrico gerado optotermicamente para construir micro-nadadores opto-termoelétricos que imitavam o movimento de 'correr e cair' das células de E. coli. Em seu mecanismo de ação, a absorção de luz assimétrica de uma partícula de Janus sob irradiação de feixe de laser causou um gradiente de temperatura autogerado para um campo opto-termoelétrico resultante que impulsionou a partícula ao longo. Os cientistas conduziram o processo usando dois feixes de laser, onde o segundo feixe de laser focalizado acionou a rotação no plano de partículas de Janus individuais sob aquecimento óptico. A equipe alcançou rotação de partículas estável devido à força termoelétrica, força óptica e força de arrasto na configuração. Peng et al. investigou ainda mais os mecanismos de funcionamento por meio do acoplamento de experimentos com teoria e simulações.
Uma partícula nadadora de 2,1 μm PS / Au Janus em solução 0,2 mM de CTAC (cloreto de cetiltrimetilamônio). Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5 
Para facilitar a conversão de energia de fóton para fônon (luz para som), a equipe desenvolveu nadadores opto-termoelétricos por meio do revestimento de uma fina camada de ouro (Au) na superfície de contas de poliestireno (PS). Após a irradiação de luz, a diferença de absorção entre PS e Au criou um gradiente de temperatura na superfície da partícula PS / Au Janus. Peng et al. dispersou as partículas de Janus em uma solução de água para converter a energia térmica em energia mecânica. Quando acionado pelo campo termoelétrico e irradiado por um feixe de laser, as partículas de Janus migraram ao longo da direção PS-para-Au para demonstrar o estado de natação. Contudo, flutuações térmicas podem mudar a orientação das partículas de Janus, fazendo com que elas se afastem de seus cursos durante a migração. Para manter o curso alvo, os cientistas desligaram o feixe de laser desfocado e usaram um feixe de laser focado para girar e prender as partículas de Janus para reorientação. Ao atingir a orientação destinada, eles desligaram o feixe de laser focalizado e reverteram as partículas de Janus para o feixe de laser desfocado para trazê-los de volta ao estado de natação. Este processo de comutação de dois estados forneceu o melhor design possível para navegar ativamente em micro-nadadores para uma variedade de funcionalidades.
Natação opto-termoelétrica de partículas de PS / Au Janus sob um feixe de laser desfocado. (a) Ilustração esquemática do mecanismo de natação. A velocidade é direcionada do hemisfério PS para o hemisfério revestido de Au. (b) Velocidade de natação em função da potência óptica para partículas de 5 µm PS / Au Janus. Um feixe de laser de 660 nm com um tamanho de feixe de 31 µm foi aplicado para conduzir a natação. (c) Imagens resolvidas no tempo de uma partícula de PS / Au de 2,1 µm de natação. Um feixe de laser de 1064 nm com um tamanho de feixe de 31 µm e uma potência de 32 mW foi aplicado para conduzir a natação. (d) Velocidade de natação em função da potência óptica para partículas de PS / Au Janus de 2,1 µm. Dois feixes de laser diferentes, ou seja, um feixe de laser de 1064 nm com um tamanho de feixe de 45 µm e um feixe de laser de 660 nm com um tamanho de feixe de 45 µm, foram aplicados para dirigir a natação. As inserções de b, d mostram uma partícula PS / Au Janus conduzida para nadar sob um feixe de laser desfocado. Todos os tamanhos de feixe acima mencionados foram obtidos por medição experimental. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
Natação opto-termoelétrica e controle de orientação
Quando Peng et al. usaram um feixe de laser desfocado para movimento direcionado de micro-nadadores opto-termoelétricos, eles alcançaram um "reservatório de energia" para as partículas de Janus. Eles chamaram o movimento ao longo do gradiente de temperatura autogerado de termoforese automática. Na solução circundante de cloreto de cetiltrimetilamônio (CTAC), a autotermoforese surgiu de efeitos termoelétricos para permitir o movimento característico das partículas. A equipe poderia reduzir a espessura da câmara da configuração experimental para estabilizar o fluxo de fluidos e facilitar o transporte direcional de partículas de Janus. Uma vez que a orientação das partículas de Janus pode ser alterada aleatoriamente por meio de flutuações térmicas, a equipe usou um segundo feixe de laser focado para atingir a rotação das partículas para navegar com eficiência na direção da natação. Eles conseguiram isso mudando os feixes de laser para analisar quantitativamente a partícula de Janus em rotação e extrair sua posição em tempo real, bem como dados de orientação.
Quando a potência do laser aumentou, a rotação das partículas também aumentou, embora o aumento contínuo da potência do laser tenha causado fortes efeitos de aquecimento e danos térmicos à partícula de Janus. A velocidade de rotação era dependente do tamanho da partícula. Para entender a força termoelétrica, Peng et al. simularam a distribuição de temperatura nas superfícies das partículas de PS / Au Janus. Em seguida, eles calcularam a força termoelétrica e a força óptica para entender a dinâmica de rotação. A equipe conduziu mais investigações para entender o comportamento de autoalinhamento da partícula de Janus.
Controle de orientação de partículas PS / Au Janus com feixe de laser focalizado. (a) Configuração e (b) imagem de campo escuro correspondente de uma partícula PS / Au Janus de 2,7 µm livre no plano X – Z. (c) Configuração e (d) imagem de campo escuro correspondente de uma partícula PS / Au Janus em rotação de 2,7 µm no plano X – Z. (e) Imagens de campo escuro resolvidas no tempo da rotação de uma partícula PS / Au Janus de 2,7 µm. O meio ciano, partículas meio douradas nas inserções ilustram as configurações correspondentes, enquanto as setas marrons nas inserções ilustram as orientações. O ponto verde nas inserções representa o feixe de laser (com comprimento de onda de 532 nm). (f) Deslocamento do centro da partícula de Janus de 2,7 µm em função do tempo. O centro da viga é definido como a origem das coordenadas. As curvas sinusoidais adequadas indicam uma rotação circular. (g) Evolução da orientação da partícula de Janus de 2,7 µm em função do tempo. A onda dente de serra apropriada indica uma direção consistente da orientação. (h) Taxa de rotação em função da potência óptica para partículas de PS / Au Janus de 2,7 µm. Em anúncio, para uma partícula de Janus grátis, nenhum limite no hemisfério da partícula foi observado na imagem óptica de campo escuro porque a parte revestida com Au tendia a se alinhar com a direção da gravidade. Em contraste, quando a rotação no plano da partícula de Janus foi iniciada, a interface PS-Au tornou-se perpendicular ao substrato devido ao efeito coordenado da força termoelétrica e da força óptica. Um anel assimétrico foi observado na imagem óptica de campo escuro, com o meio-anel mais brilhante correspondendo ao revestimento de Au devido ao seu espalhamento óptico mais forte. A inserção ilustra a rotação sob um feixe de laser verde (com comprimento de onda de 532 nm). O tamanho do feixe de laser no plano da amostra é 2,65 µm para e, h. Uma potência de 1,9 mW foi aplicada para a rotação em (e) Controle de orientação de partículas PS / Au Janus com um feixe de laser focalizado. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
Método de controle de feedback
A equipe então estabeleceu um algoritmo de feedback para facilitar a navegação ativa e orientar a direção de natação das partículas de Janus. Para realizar o controle de malha fechada, eles desenvolveram um programa de computador para rastrear a posição e orientação em tempo real de uma determinada partícula de Janus e coordenaram automaticamente o sistema de controle. Na configuração experimental, dois obturadores controlados por computador determinavam os estados ligado / desligado de dois feixes de laser individuais. Os cientistas dirigiram com sucesso a natação direcional de partículas de Janus, onde um aumento na velocidade de rotação reduziu a precisão do controle da direção do nado. Para explicar isso, Peng et al. usou uma câmera de dispositivo de acoplamento carregado (CCD) com taxa de quadros mais alta para melhorar significativamente a precisão do controle de feedback. Eles então demonstraram a navegação ativa das partículas PS / Au Janus usando o algoritmo de controle de feedback para o transporte direcionado de nadadores opto-termoelétricos. O trabalho indicou o potencial de micro-nadadores opto-termoelétricos para transportar moléculas de drogas e partes não metálicas para entrega precisa com aplicações potenciais na entrega de nano / micro-drogas direcionadas.
Natação direcional e transporte direcionado de partículas de PS / Au Janus com um método de controle de feedback. (a) Ilustração esquemática de natação direcional com controle de feedback nas imagens gravadas experimentalmente, onde um feixe de laser verde focalizado e um feixe de laser vermelho desfocado foram empregados para navegar e dirigir a natação, respectivamente. (b) Fluxograma do método de controle de feedback. (c) Configuração óptica e layout mecânico para o método de controle de feedback. (d) Trajetórias de partículas de 5 µm PS / Au Janus nadando em diferentes direções. (e) Distribuição direcionada de uma partícula PS / Au Janus de 5 µm para uma partícula PS de 10 µm. Um feixe de laser de 5 µm 532 nm com uma potência de 2,6 mW foi usado para conduzir a rotação, enquanto um feixe de laser de 660 nm com um tamanho de feixe de 31 µm e uma potência de 160–200 mW foi aplicado para conduzir a natação. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-00378-5
Desta maneira, Xiaolei Peng e colegas desenvolveram micro-nadadores opto-termoelétricos com navegação e acionamento totalmente ópticos. Eles conseguiram isso aproveitando o acoplamento opto-termoelétrico das partículas de Janus. O calor gerado pelas partículas de Janus irradiadas com luz criou um campo termoelétrico para impulsionar as partículas em uma direção específica sem combustível químico. Eles usaram um feixe de laser focalizado para orientar os micro-nadadores e controlaram a rotação das partículas de Janus com um segundo feixe. O mecanismo pode ser explorado para desenvolver microrrobôs inteligentes para múltiplas tarefas em biomedicina.
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