Исследователи из Боулдерского университета Колорадо обнаружили, что крошечные самоходные частицы, называемые “наносиммерами”, могут выходить из лабиринтов в 20 раз быстрее, чем другие пассивные частицы, поэтому их можно использовать везде: от промышленных очисток до доставки лекарств.
Результаты, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывают, насколько крошечные синтетические нанороботы эффективны при выходе из полостей в лабиринтоподобных средах.
Учёные считают, что в один прекрасный день эти наносиммеры могут быть использованы для восстановления загрязненной почвы, улучшения фильтрации воды или даже доставки лекарств в целевые области тела, например, в плотные ткани.
“Это открытие совершенно нового явления, которое указывает на широкий потенциальный диапазон применений”, – рассказывает Дэниел Шварц, старший автор статьи и профессор химической и биологической инженерии Гленна Л.
По словам Шварца, наносиммеры привлекли внимание сообщества теоретической физики около 20 лет назад, и люди представляли себе множество реальных применений. Но, к сожалению, эти осязаемые приложения еще не были реализованы, отчасти потому, что было довольно трудно наблюдать и моделировать их движение в соответствующих средах.
Известно, что нановиммеры, также называемые частицами Януса (названными в честь римского двуглавого бога), представляют собой крошечные сферические частицы, состоящие из полимера или кремнезема, сконструированные с различными химическими свойствами на каждой стороне сферы. Одно полушарие способствует протеканию химических реакций, а другое – нет. Это создает химическое поле, которое позволяет частице брать энергию из окружающей среды и преобразовывать ее в направленное движение – также известное как самодвижение.
Напротив, пассивные частицы, которые движутся случайным образом (вид движения, известный как броуновское движение), известны как броуновские частицы. Они названы в честь ученого 19-го века Роберта Брауна, который изучал такие вещи, как случайное движение пыльцевых зерен, взвешенных в воде.
Исследователи преобразовали пассивные броуновские частицы в частицы Януса (наносиммеры) для этого исследования. Затем они заставили самоходные наносиммеры попытаться пройти через лабиринт, сделанный из пористой среды, и сравнили, насколько эффективно они нашли пути отступления по сравнению с пассивными броуновскими частицами.
Результаты оказались шокирующими даже для исследователей.
Частицы Януса были невероятно эффективны при выходе из полостей внутри лабиринта – в 20 раз быстрее, чем броуновские частицы, потому что они стратегически двигались вдоль стенок полости в поисках отверстий, что позволяло им очень быстро находить выходы. Их самодвижение также, казалось, давало им заряд энергии, необходимый для прохождения через выходные отверстия в лабиринте.
Хотя эти частицы невероятно малы, около 250 нанометров – чуть шире человеческого волоса (160 нанометров), но все же намного меньше головки булавки (1-2 миллиметра) – работа масштабируется. Это означает, что частицы могут перемещаться и проникать в такие микроскопические пространства, как человеческая ткань, для перевозки грузов и доставки лекарств, а также через грунт под землей или песчаные пляжи для удаления нежелательных загрязняющих веществ.
