Coletivos coloidais automontados bioinspirados de sistemas de matéria ativa
Controle de deriva tridimensional de coletivos coloidais magnéticos. (A) O diagrama esquemático mostra o mecanismo de movimento do plâncton natural. (B) O diagrama esquemático mostra a escalada coletiva coloidal através de um obstáculo alto sob campos de atuação bimodais (campos magnéticos e ópticos). Primeiro, impulsionados pelo campo magnético rotativo personalizado, os colóides ferrofluídicos sedimentados se auto-montam em um coletivo coloidal dinâmico e estável. Em segundo lugar, o campo óptico estimula o coletivo coloidal a gerar fluxo convectivo através do efeito fototérmico, permitindo assim que o coletivo coloidal use correntes para movimentos de deriva 3D como o plâncton. Os coletivos coloidais propostos podem impulsionar-se no espaço 3D, transitar entre superfícies ar-água e mover-se na superfície da água. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj4201 Os sistemas de matéria ativa apresentam comportamentos únicos que incluem estruturas coletivas de automontagem e migração coletiva. No entanto, os esforços para realizar entidades coletivas em espaços sem suporte aderido à parede, a fim de realizar a locomoção tridimensional sem dispersão, são desafiadores.
Em um novo estudo, publicado na Science Advances , Mengmeng Sun e uma equipe de pesquisa em engenharia mecânica e inteligência física na China e na Alemanha, foram bioinspirados pelos mecanismos de migração do plâncton e propuseram uma estratégia de atuação bimodal combinando campos magnéticos e ópticos.
Enquanto o campo magnético desencadeou a automontagem de partículas coloidais magnéticas para manter numerosos colóides como uma entidade dinamicamente estável, os campos ópticos permitiram que os coletivos coloidais gerassem fluxo convectivo através de efeitos fototérmicos para deriva 3D. Os coletivos realizaram locomoção 3D subaquática para fornecer insights sobre o design de dispositivos inteligentes e materiais inteligentes para matéria ativa sintética que podem regular o movimento coletivo no espaço 3D.
Matéria viva ativa
A matéria viva ativa é onipresente na natureza, oferecendo coletivos auto-organizados que podem realizar tarefas complexas que ultrapassam as capacidades individuais, que incluem bandos de pássaros e colônias de bactérias.
Bioinspirado em coletivos naturais, é possível examinar os colóides como blocos de construção de materiais, assim como os átomos que formam blocos de construção de moléculas e cristais. A automontagem coloidal pode ser estudada como um método para fabricar nanoestruturas com implicações técnicas para construir eletrônica em nanoescala, conversão ou armazenamento de energia, distribuição de medicamentos e catalisadores.
O processo de montagem coloidal pode ser guiado em um substrato padronizado ou através da montagem Langmuir-Blodgett, para montagem em fibras e células, e como sinais químicos. Geração dos movimentos ascendentes e descendentes do coletivo coloidal. (A) Colóides dispersos (<1 μm) se reúnem dinamicamente em um coletivo coloidal dentro de água deionizada ao serem energizados pelo campo magnético rotativo (f:de 10 a 50 Hz, Bm:9 mT, θ:0°). Barra de escala, 100 μm. (B) Resultados de simulação da distribuição de temperatura e velocidade de fluxo convectivo em torno do coletivo coloidal. A diferença de temperatura entre o fluido coletivo e o fluido circundante (água) é de 20 K. As cores de fundo indicam as temperaturas e velocidades do fluido circundante. As setas brancas representam os vetores velocidade do fluxo. (C) Processo em que os coletivos coloidais sobem e afundam. Os rótulos "M" e "O" indicam campos magnéticos (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:0°) e ópticos (λ:808 nm, P:2 W). As setas vermelhas e pretas indicam as direções móveis do coletivo coloidal. Barra de escala, 1 mm. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj4201 Neste trabalho, Mengmeng Sun e uma equipe de cientistas apresentaram uma nova abordagem para alcançar a motilidade 3D de coletivos coloidais sem dispersão. O coletivo coloidal consistia em partículas coloidais de ferro ferrofluídico com diâmetro abaixo de 1 μm, impulsionadas por um campo magnético rotativo personalizado para se automontar em um coletivo dinâmico e estável.
A equipe se concentrou no fluxo convectivo óptico usando correntes de fluido para deriva 3D – bioinspiradas no plâncton. Sun e a equipe discutiram os métodos de transição de coletivos coloidais para examinar suas capacidades de locomoção em superfícies de água. Os resultados culminaram em coletivos coloidais com mobilidade 3D para adaptação a ambientes complexos com inteligência física para locomoção, automontagem e regulação.
Estratégia de ativação bimodal
Sun e a equipe de pesquisa adotaram uma estratégia de atuação bimodal de campos magnéticos e ópticos para realizar a locomoção 3D de coletivos coloidais.
Na primeira etapa, eles desencadearam a formação de coletivos coloidais ao incorporar um campo magnético contendo três parâmetros ajustáveis, incluindo ângulo de inclinação, frequência e força. A princípio, na ausência de campo magnético, os colóides ferrofluídicos exibiram movimento browniano após sedimentação.
Uma vez energizados pelo campo magnético rotativo adaptado, eles se automontaram para formar pequenos coletivos primitivos conhecidos como coletivos coloidais sem equilíbrio, que continuaram a aumentar de tamanho e a se fundir com partículas vizinhas para contribuir para o seu crescimento; os cientistas confirmaram isso usando simulações.
A morfologia do coletivo coloidal dependia da força e frequência do campo magnético aplicado, o que permitiu ao coletivo manter sua integridade, desencadeando a formação e manutenção de sua estabilidade dinâmica. Transição controlável do coletivo coloidal através da interface ar-água. (A) Transição do coletivo coloidal do subaquático para a superfície da água. Os rótulos "M" e "O" indicam campos magnéticos (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:0°) e ópticos (λ:808 nm, P:5 W). (B) Coletivo coloidal afunda na água com postura inclinada (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:de 0° a 20°). [(A) e (B)] Barras de escala, 3 mm. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj4201 Gradiente de temperatura
As partículas coloidais de ferrofluido dispersas absorveram a luz infravermelha próxima para convertê-la em energia térmica, dando origem a um gradiente de temperatura local. O gradiente de temperatura induziu um fluxo convectivo para transportar as partículas para cima, reunindo-as em um coletivo com um efeito fototérmico aprimorado. Isto resultou na manutenção de uma entidade dinamicamente estável, sem desintegração.
Na ausência de um campo óptico infravermelho próximo, o coletivo coloidal esfriou com uma força hidrodinâmica enfraquecida para afundar progressivamente sob a gravidade.
Essas amostras, portanto, ajustaram o campo óptico para convecção e alcançaram movimento vertical para cima, pairando e horizontal direcional. Como a força hidrodinâmica era maior que a gravidade, a convecção empurrou o coletivo para cima verticalmente, permitindo que o coletivo coloidal pairasse debaixo d'água. Ao regular o campo óptico, Sun e a equipe direcionaram o movimento do coletivo coloidal e ajustaram suas posições debaixo d'água.
Transições através da interface ar-água
Os cientistas investigaram a capacidade do coletivo coloidal de romper a superfície da água usando fluxo de convecção induzido; para indicar como as amostras saíram da água com sucesso, superando a tensão superficial da água.
Os coletivos coloidais superaram a tensão superficial e a gravidade para transições bem reguladas através da superfície da água para mergulhar na água no local e no momento desejados. Os pesquisadores analisaram as construções usando flutuabilidade, força hidrodinâmica de convecção, tensão superficial e gravidade. Locomoção adaptativa do coletivo de microrobôs. (A) Ilustração da locomoção coletiva do microrobô debaixo d'água e na interface ar-água entre obstáculos 3D. Os coletivos de microrobôs podem se mover debaixo d'água, manobrar na superfície da água, mergulhar na água e fazer transições entre a superfície da água e o ambiente subaquático. (B) Movimentos coletivos de microrobôs na superfície da água sob o campo magnético (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:10°). (C) O coletivo Microrobot sobe o menisco da água sob o campo óptico. (D) Um coletivo atravessa um obstáculo com altura de 10 mm. (E) O coletivo Microrobot passa por um canal com diâmetro de 2,5 mm (f:50 Hz, Bm:9 mT, θ:10°). (F) O coletivo Microrobot atravessa uma lacuna com largura de 10 mm e sobe o obstáculo alto ao longo da interface água-ar. [(A) a (F)] Barras de escala, 3 mm. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj4201 Sun e sua equipe exploraram esses efeitos em coletivos de microrobôs convencionais para introduzir interações espacialmente simétricas para a locomoção subaquática e na superfície da água. A equipe usou campos magnéticos e ópticos para impulsionar o movimento desses coletivos de microrobôs na superfície da água, onde escalaram o menisco da água para transporte impulsionado por um campo óptico. Tais instrumentos, conhecidos como caminhantes de superfície, podem cruzar obstáculos maiores que seu próprio tamanho e contornar barreiras altas para aplicações em ciências ambientais, medicina e engenharia.
Perspectiva
Desta forma, Mengmeng Sun e colegas foram bioinspirados pelos mecanismos de migração do plâncton para impulsionar coletivos coloidais a se moverem no espaço 3D sem fronteiras. A equipe combinou campos magnéticos e ópticos para uma locomoção 3D bem formada e regulada de coletivos coloidais ativos em um ambiente aquático, com os campos ópticos e magnéticos combinados para facilitar a locomoção 3D.
Esses sedimentos e sistemas coloidais fornecem um processo poderoso para explorar a física da automontagem e desenvolver um método prático para sintetizar materiais funcionais.
Os sistemas vivos podem formar coletivos coloidais auto-organizados sob campos magnéticos externos, para criar estruturas que podem ser guiadas através de espaços e interfaces, para atingir geometrias e padrões incomuns.
Sun e sua equipe pretendem investigar esses coletivos e sua complexidade para síntese e design de materiais. Essas construções de resposta dupla podem funcionar como coletivos de microrobôs para adaptabilidade ambiental com aplicações práticas em biofluidos com alta viscosidade e altas concentrações iônicas com amplas aplicações em engenharia biomédica.
Mais informações: Mengmeng Sun et al, Coletivos coloidais automontados bioinspirados à deriva em três dimensões debaixo d’água, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4201 Informações do diário: Avanços da ciência
