p Pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder descobriram que, partículas autopropelidas chamadas "nanoswimmers" podem escapar dos labirintos até 20 vezes mais rápido do que outras partículas passivas, pavimentando o caminho para seu uso em tudo, desde limpeza industrial até entrega de medicamentos. p As evidências, publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , descrevem como esses minúsculos nanorrobôs sintéticos são incrivelmente eficazes em escapar de cavidades em ambientes labirínticos. Esses nano nadadores poderiam um dia ser usados ​​para remediar solo contaminado, melhorar a filtragem da água ou até mesmo distribuir medicamentos em áreas específicas do corpo, como dentro de tecidos densos.

p "Esta é a descoberta de um fenômeno inteiramente novo que aponta para uma ampla gama de aplicações potenciais, "disse Daniel Schwartz, autor sênior do artigo e professor dotado de Glenn L. Murphy de engenharia química e biológica.

p Esses nano nadadores chamaram a atenção da comunidade da física teórica cerca de 20 anos atrás, e as pessoas imaginaram uma grande variedade de aplicativos do mundo real, de acordo com Schwartz. Mas, infelizmente, essas aplicações tangíveis ainda não foram realizadas, em parte porque tem sido muito difícil observar e modelar seu movimento em ambientes relevantes - até agora.

p Esses nano nadadores, também chamadas de partículas de Janus (em homenagem a um deus romano de duas cabeças), são minúsculas partículas esféricas compostas de polímero ou sílica, projetado com diferentes propriedades químicas em cada lado da esfera. Um hemisfério promove a ocorrência de reações químicas, mas não o outro. Isso cria um campo químico que permite que a partícula pegue energia do ambiente e a converta em movimento direcional - também conhecido como autopropulsão.

p “Em biologia e organismos vivos, a propulsão celular é o mecanismo dominante que faz com que o movimento ocorra, e ainda, em aplicativos de engenharia, raramente é usado. Nosso trabalho sugere que podemos fazer muito com a autopropulsão, "disse Schwartz.

p Em contraste, partículas passivas que se movem aleatoriamente (um tipo de movimento conhecido como movimento browniano) são conhecidas como partículas brownianas. Eles foram nomeados em homenagem ao cientista do século 19, Robert Brown, que estudou coisas como o movimento aleatório dos grãos de pólen suspensos na água.

p Os pesquisadores converteram essas partículas brownianas passivas em partículas de Janus (nanoswimmers) para esta pesquisa. Em seguida, eles fizeram esses nano nadadores autopropulsados ​​tentarem se mover por um labirinto feito de um meio poroso, e comparou a eficiência e eficácia com que encontraram as rotas de fuga em comparação com as partículas brownianas passivas.

p Os resultados foram chocantes, até mesmo para os pesquisadores.

p As partículas de Janus foram incrivelmente eficazes em escapar das cavidades dentro do labirinto - até 20 vezes mais rápido do que as partículas brownianas - porque se moveram estrategicamente ao longo das paredes da cavidade em busca de buracos, o que lhes permitiu encontrar as saídas muito rapidamente. Sua autopropulsão também parecia dar a eles um impulso de energia necessário para passar pelos orifícios de saída dentro do labirinto.

p "Sabemos que temos muitas aplicações para nanorrobôs, especialmente em ambientes muito confinados, mas não sabíamos realmente como eles se moviam e quais são as vantagens em comparação com as partículas brownianas tradicionais. É por isso que começamos uma comparação entre esses dois, "disse Haichao Wu, autor principal do artigo e aluno de pós-graduação em engenharia química e biológica. "E descobrimos que os nano nadadores são capazes de usar uma maneira totalmente diferente de pesquisar esses ambientes labirínticos."

p Embora essas partículas sejam incrivelmente pequenas, cerca de 250 nanômetros - apenas mais largo que um cabelo humano (160 nanômetros), mas ainda muito, muito menor que a cabeça de um alfinete (1-2 milímetros) - o trabalho é escalonável. Isso significa que essas partículas podem navegar e permear espaços tão microscópicos quanto o tecido humano para transportar cargas e entregar medicamentos, bem como através do solo subterrâneo ou praias de areia para remover poluentes indesejados.

p Nano nadadores de enxame

p O próximo passo nesta linha de pesquisa é entender como os nano nadadores se comportam em grupos dentro de ambientes confinados, ou em combinação com partículas passivas.

p “Em ambientes abertos, sabe-se que os nano nadadores exibem um comportamento emergente - comportamento que é mais do que a soma de suas partes - que imita o movimento de enxame de bandos de pássaros ou cardumes de peixes. Esse tem sido o grande ímpeto para estudá-los, "disse Schwartz.

p Um dos principais obstáculos para atingir esse objetivo é a dificuldade de ser capaz de observar e compreender o movimento 3D dessas minúsculas partículas no fundo de um material que compreende espaços interconectados complexos.

p Wu superou esse obstáculo usando líquido de índice de refração no meio poroso, que é o líquido que afeta a velocidade com que a luz viaja através de um material. Isso tornou o labirinto essencialmente invisível, enquanto permite a observação do movimento de partículas 3D usando uma técnica conhecida como microscopia de função de propagação de ponto de dupla hélice.

p Isso permitiu a Wu rastrear trajetórias tridimensionais das partículas e criar representações visuais, um grande avanço da modelagem 2D típica de nanopartículas. Sem este avanço, não seria possível compreender melhor o movimento e o comportamento de indivíduos ou grupos de nano nadadores.

p "Este documento é a primeira etapa:ele fornece um sistema de modelo e a plataforma de imagem que nos permite responder a essas perguntas, "disse Wu." O próximo passo é usar este modelo com uma população maior de nano nadadores, para estudar como eles são capazes de interagir uns com os outros em um ambiente confinado. "