Minúsculos robôs do tamanho de uma célula poderiam ser produzidos em massa usando um novo método desenvolvido por pesquisadores do MIT. Os dispositivos microscópicos, que a equipe chama de "syncells" (abreviação de células sintéticas), pode eventualmente ser usado para monitorar as condições dentro de um oleoduto ou gasoduto, ou para procurar doenças enquanto flutuam na corrente sanguínea.

A chave para fazer esses dispositivos minúsculos em grandes quantidades está em um método que a equipe desenvolveu para controlar o processo de fraturamento natural de atomicamente finos, materiais quebradiços, direcionar as linhas de fratura para que produzam bolsões minúsculos de tamanho e forma previsíveis. Embutidos dentro dessas bolsas estão circuitos eletrônicos e materiais que podem coletar, registro, e dados de saída.

O novo processo, chamado de "autoperfuração, "é descrito em artigo publicado hoje na revista Materiais da Natureza , pelo professor do MIT Michael Strano, pós-doutorado Pingwei Liu, estudante de graduação Albert Liu, e outros oito no MIT.

O sistema usa uma forma bidimensional de carbono chamada grafeno, que forma a estrutura externa das minúsculas syncells. Uma camada do material é colocada em uma superfície, em seguida, pequenos pontos de um material polimérico, contendo os eletrônicos para os dispositivos, são depositados por uma versão de laboratório sofisticada de uma impressora jato de tinta. Então, uma segunda camada de grafeno é colocada no topo.

Fratura controlada

As pessoas pensam em grafeno, um material ultrafino, mas extremamente forte, como sendo "flexível, "mas é realmente frágil, Strano explica. Mas ao invés de considerar essa fragilidade um problema, a equipe descobriu que isso poderia ser usado a seu favor.

"Descobrimos que você pode usar a fragilidade, "diz Strano, quem é Carbon P. Dubbs Professor de Engenharia Química no MIT. "É contra-intuitivo. Antes deste trabalho, se você me dissesse que poderia fraturar um material para controlar sua forma em nanoescala, Eu teria ficado incrédulo. "

Mas o novo sistema faz exatamente isso. Ele controla o processo de fraturamento para que, em vez de gerar fragmentos aleatórios de material, como os restos de uma janela quebrada, ela produz peças de formato e tamanho uniformes. "O que descobrimos é que você pode impor um campo de tensão para fazer com que a fratura seja guiada, e você pode usar isso para fabricação controlada, "Strano diz.

Quando a camada superior de grafeno é colocada sobre a matriz de pontos de polímero, que formam pilares redondos, os locais onde o grafeno cobre as bordas arredondadas dos pilares formam linhas de alta tensão no material. Como Albert Liu descreve, "imagine uma toalha de mesa caindo lentamente sobre a superfície de uma mesa circular. É muito fácil visualizar a tensão circular em desenvolvimento em direção às bordas da mesa, e isso é muito análogo ao que acontece quando uma folha plana de grafeno se dobra em torno desses pilares de polímero impressos. "

Como resultado, as fraturas estão concentradas ao longo desses limites, Strano diz. "E então algo incrível acontece:o grafeno se quebra completamente, mas a fratura será guiada ao redor da periferia do pilar. "O resultado é ótimo, pedaço redondo de grafeno que parece ter sido cortado por um furador microscópico.

Porque existem duas camadas de grafeno, acima e abaixo dos pilares de polímero, os dois discos resultantes aderem em suas bordas para formar algo como uma pequena bolsa de pão sírio, com o polímero selado dentro. "E a vantagem aqui é que esta é essencialmente uma única etapa, "em contraste com muitas etapas complexas de sala limpa necessárias para outros processos para tentar fazer dispositivos robóticos microscópicos, Strano diz.

Os pesquisadores também mostraram que outros materiais bidimensionais, além do grafeno, tais como dissulfeto de molibdênio e boronitreto hexagonal, funcionam tão bem.

Robôs parecidos com células

Variando em tamanho de um glóbulo vermelho humano, cerca de 10 micrômetros de diâmetro, até cerca de 10 vezes esse tamanho, esses minúsculos objetos "começam a se parecer e a se comportar como uma célula biológica viva. Na verdade, sob um microscópio, você provavelmente poderia convencer a maioria das pessoas de que é uma célula, "Strano diz.

Este trabalho segue uma pesquisa anterior de Strano e seus alunos no desenvolvimento de syncells que poderiam reunir informações sobre a química ou outras propriedades de seus arredores usando sensores em sua superfície, e armazenar as informações para recuperação posterior, por exemplo, injetar um enxame de tais partículas em uma extremidade de um pipeline e recuperá-las na outra para obter dados sobre as condições dentro dela. Embora as novas células de sincronização ainda não tenham tantos recursos quanto as anteriores, aqueles foram montados individualmente, ao passo que este trabalho demonstra uma maneira de produzir facilmente tais dispositivos em massa.

Além dos usos potenciais das syncells para monitoramento industrial ou biomédico, a forma como os pequenos dispositivos são feitos é em si uma inovação com grande potencial, de acordo com Albert Liu. "Este procedimento geral de uso de fratura controlada como método de produção pode ser estendido em muitas escalas de comprimento, ", diz ele." [Pode potencialmente ser usado com] essencialmente qualquer material 2-D de escolha, em princípio, permitindo que futuros pesquisadores ajustem essas superfícies atomicamente finas em qualquer forma ou formato desejado para aplicações em outras disciplinas. "

Isto é, Albert Liu diz, "uma das únicas maneiras disponíveis agora para produzir microeletrônica integrada autônoma em grande escala" que pode funcionar como independente, dispositivos de flutuação livre. Dependendo da natureza dos componentes eletrônicos internos, os dispositivos podem ser fornecidos com recursos de movimento, detecção de vários produtos químicos ou outros parâmetros, e armazenamento de memória.

Há uma ampla gama de novas aplicações potenciais para tais dispositivos robóticos do tamanho de células, diz Strano, que detalha muitos desses usos possíveis em um livro que ele escreveu em co-autoria com Shawn Walsh, um especialista em Laboratórios de Pesquisa do Exército, sobre o assunto, chamado de "Sistemas Robóticos e Plataformas Autônomas, "que está sendo publicado este mês pela Elsevier Press.

Como demonstração, a equipe "escreveu" as letras M, EU, e T em uma matriz de memória dentro de um syncell, que armazena as informações como níveis variáveis ​​de condutividade elétrica. Esta informação pode então ser "lida" usando uma sonda elétrica, mostrando que o material pode funcionar como uma forma de memória eletrônica na qual os dados podem ser gravados, leitura, e apagado à vontade. Ele também pode reter os dados sem a necessidade de energia, permitindo que as informações sejam coletadas posteriormente. Os pesquisadores demonstraram que as partículas são estáveis ​​por um período de meses, mesmo quando flutuando na água, que é um solvente forte para eletrônicos, de acordo com Strano.

"Acho que abre um novo kit de ferramentas para micro e nanofabricação, " ele diz.