Fizikçiler, bir mikro parçacığın silindirik bir engele çarpmak veya etrafından dolanmak yerine, silindirik bir engelin etrafında kıvrılarak arka tarafına yapıştığını gözlemlediler. Araştırmacılar, elektrostatik, hidrodinamik ve çevreleyen moleküllerin düzensiz rastgele hareketinin bu beklenmedik yakalama davranışına neden olduğunu keşfettiler. Engelin boyutu, parçacığın kaçmadan önce ne kadar süre hapsolduğunu belirledi. Bu yeni içgörüler, mikroakışkan uygulamaları ve karmaşık, yapılandırılmış manzaralarda gezinmek için mikropartiküller kullanan ilaç dağıtım sistemlerini geliştirmek için kullanılabilir. (Soyut sanatçının konsepti.)
Yeni içgörüler, mikroakışkanları ve ilaç dağıtım sistemlerini ilerletebilir.
- Yeni çalışma, yuvarlanan mikropartikülleri sıvı içinde hapsedebilecek engelleri buluyor
- Fizikçiler, simülasyonlar ve deneyler yoluyla, yakalama etkisini, hidrodinamiğin yarattığı durgun sıvı ceplerine bağlar.
- Sıvı içindeki moleküllerin rastgele hareketleri, ardından mikro silindiri durgun bir cebe ‘vurarak’ etkili bir şekilde hapseder
- Engelin boyutu aynı zamanda bir mikro silindiri yakalamanın ne kadar kolay olduğunu ve ne kadar süre kapalı kaldığını da kontrol eder
Fizikçiler küçük bir mikro parçacığı silindirik bir engele doğru yönlendirdiklerinde, iki sonuçtan birinin meydana gelmek. Parçacık ya engele çarpacak ya da etrafından dolaşacaktı. Ancak parçacık ikisini de yapmadı.
Fransa’daki Northwestern Üniversitesi ve École Polytechnique liderliğindeki araştırma ekibi, parçacığın engelin etrafında kıvrılmasını ve ardından arka tarafına yapışmasını görünce şaşırdı ve kafası karıştı. Görünen o ki engel, parçacığı etkili bir şekilde hapsetmişti.
Bir dizi simülasyon ve deneyden sonra, araştırmacılar bu garip olgunun ardındaki fiziği çözdüler. Beklenmedik yakalama davranışına üç faktör neden oldu: elektrostatik, hidrodinamik ve çevreleyen moleküllerin düzensiz rastgele hareketi. Engelin boyutu ayrıca parçacığın kaçmadan önce ne kadar süre hapsolduğunu da belirledi.
Yeni bilgiler, mikroakışkan uygulamaları ve ilaç dağıtım sistemlerini geliştirmek için kullanılabilir. Her ikisi de karmaşık, yapılandırılmış arazilerde gezinmek için mikro parçacıklara dayanır.
Çalışma, Science Advances dergisinde 8 Mart’ta yayınlanacak.
Bir engel (ortadaki halka), girişimde bulunan bir mikro parçacığı etkili bir şekilde yakalar. geçmek için Kredi: Michelle Driscoll/Northwestern Üniversitesi
Northwestern’den çalışmanın eş liderliğini yürüten Michelle Driscoll, “Bu sistemde yakalama görmeyi hiç beklemiyordum” dedi. “Ancak yakalama, sisteme çok fazla fayda sağlıyor çünkü artık parçacıkları toplamanın bir yolunu bulduk. Bindirme, karıştırma ve sıralama gibi görevlerin bu kadar küçük ölçeklerde yapılması çok zordur. Karıştırma ve sıralama için standart süreçleri küçültemezsiniz çünkü bu boyut sınırında farklı türde bir fizik devreye girer. Bu nedenle, parçacıkları manipüle etmenin farklı yollarına sahip olmak önemlidir.”
Driscoll, Northwestern’deki Weinberg Sanat ve Bilim Koleji’nde fizik profesörüdür. Çalışmayı École Polytechnique’de araştırmacı olan Blaise Delmotte ile birlikte yönetti.
https://youtu.be./S1MeeiZJZG4
Bir mikro parçacık, kaçmak için bir engeli (ortadaki halka) başarıyla geçer kapana kısılmak. Kredi: Michelle Driscoll/Northwestern University
Bakterilere benzer boyutlarda olan mikro silindirler, sıvı bir ortamda hareket etme yeteneğine sahip sentetik, mikroskobik parçacıklardır. Driscoll ve ekibi, farklı yönlerde serbestçe ve hızla hareket edebilmeleri ve insan vücudu da dahil olmak üzere karmaşık, kapalı ortamlarda kargo taşıma ve teslim etme potansiyelleri nedeniyle mikro silindirlerle özellikle ilgileniyor.
Mikro silindirler Driscoll’un laboratuvarında, onlara zayıf bir manyetik alan veren demir oksit çekirdekli plastikler var. Araştırmacılar, mikro silindirleri kapalı bir mikro odaya (100 milimetreye 2 milimetreye 0,1 milimetre boyutunda) yerleştirerek, numunenin etrafında dönen bir manyetik alanı manipüle ederek hareket yönünü kontrol edebilirler. Mikro silindirlerin hareket şeklini değiştirmek için araştırmacılar, mikro silindirleri farklı yönlere çekmek için manyetik alanın hareketini yeniden programlamaları yeterlidir.
Ancak mikroakışkan cihazlar ve insan vücudu, elbette, bir mikro silindire kıyasla çok daha karmaşık manzaralardır. özelliksiz numune odası. Bu nedenle, Driscoll ve iş arkadaşları, mikro silindirlerin ortamda nasıl gezinebileceğini görmek için sisteme engeller ekledi.
“Gerçekçi uygulamalar için, parçacıkların bir içinde oturduğu bu sisteme sahip olmayacaksınız. açık alan,” dedi Driscoll. “Karmaşık bir manzara olacak. Parçacıkları sarma kanallarından geçirmeniz gerekebilir. Bu nedenle, önce sorunun en basit versiyonunu keşfetmek istedik: Bir mikro silindir ve bir engel.”
Hem bilgisayar simülasyonlarında hem de deneysel ortamda, Driscoll ve ekibi numune odasına silindirik engeller ekledi. Mikro silindir bazen engelin etrafından sorunsuz bir şekilde dönüyordu, ancak diğer zamanlarda engelin etrafından dönüyor ve ardından arkasında sıkışıp kalıyordu.
“Parçacığın engeli geçerek durmasını ve bir şekilde takılıp kalmasını izledik,” Driscoll söz konusu. “Simülasyonlarda ve deneylerde aynı davranışı gördük.”
Simülasyonlardaki parametreleri değiştirip verileri analiz eden Driscoll ve ekibi, numune odasının içindeki sıvının hidrodinamiğinin durgun alanlar oluşturduğunu buldu. . Başka bir deyişle, dönen mikro silindir, sıvının hazne içinde akmasına neden oldu. Ancak akışlar, sıvının hareketsiz kaldığı ve akmadığı cepler de yarattı – engelin hemen arkasındaki biri de dahil. Parçacık durgun alana girdiğinde hareketini durdurdu ve sıkıştı.
Fakat parçacığın durgun alana ulaşması için şaşırtıcı bir U dönüşü yapması gerekiyordu. Mikro silindir engeli geçtikten sonra etrafından kıvrılarak arka tarafına yapıştı. Driscoll, sıvı içindeki moleküllerin rastgele hareketlerinin (Brown hareketi olarak adlandırılır) mikro silindiri durgun bölgeye “attığını” buldu.
“Küçük malzemeler Brownian dalgalanmalarına tabidir,” diye açıkladı Driscoll. “Akışkan aslında bir süreklilik değil, bireysel, küçük moleküllerden oluşuyor. Bu moleküller sürekli olarak rastgele yönlerde parçacığa çarpıyor. Parçacık yeterince küçükse, bu çarpışmalar onu hareket ettirebilir. Bu nedenle, küçük parçacıklara mikroskop altında bakarsanız, biraz hokkabazlık yapıyormuş gibi görünürler.”
Driscoll’un ekibi ayrıca, engelin boyutunun, parçacığın kaçmadan önce ne kadar süre hapsolacağını kontrol ettiğini de buldu. . Örneğin, engel daha küçük olduğunda Brown dalgalanmalarının parçacığı yakalama bölgesine atması daha kolaydır. Araştırmacılar, engel boyutunu değiştirerek yakalama süresini büyüklük sırasına göre artırabilir.
“Genellikle, Brownian dalgalanmaları, bir gürültü kaynağı oldukları için deneyler için yıkıcıdır,” dedi Driscoll. “Burada, yararlı bir şey yapmak için Brown hareketinden yararlanabiliriz. Bu hidrodinamik yakalama etkisini etkinleştirebiliriz.”
Referans: “Basit bir yakalama: Dalgalanmalar, mikro silindirlerin engeller tarafından hidrodinamik olarak yakalanmasını sağlar” 8 Mart 2023, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv. ade0320
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı tarafından CBET-1706562 ödül numarası, “la Caixa” Vakfı (ödül numarası 100010434 ve burs numarası LCF/BQ/-PI20/11760014), Avrupa Birliği tarafından desteklenmiştir. Marie Skłodowska-Curie hibesi (ödül numarası 847648), Fransız Ulusal Araştırma Ajansı (ödül numarası ANR- 20-CE30-0006) ve NVIDIA Akademik Ortaklığı kapsamında Horizon 2020 araştırma ve inovasyon programı.