Des scientifiques de l'Université Rice ont découvert ce qui pourrait être la forme de locomotion la plus simple dans les voyages de particules à l'échelle du micron liées et entraînées par un champ magnétique.

Dans le laboratoire Rice de l'ingénieur chimiste et biomoléculaire Sibani Lisa Biswal, les chercheurs ont placé des sphères magnétisées de différentes tailles dans une solution. Lorsqu'il est soumis à un "champ magnétique excentrique, " les sphères auto-assemblées et les sphères plus petites, attaché par des charnières virtuelles, tracé des orbites approximatives d'un côté de leurs plus grands partenaires.

En substance, les petites perles reproduisaient le mouvement d'un nageur manchot faisant la brasse. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient manipuler le champ magnétique pour diriger les nageurs à travers le fluide à près d'un micron par minute. Cette capacité peut éventuellement les rendre appropriés comme véhicules de distribution de médicaments.

Le phénomène fait l'objet d'un article dans la revue de la Royal Society of Chemistry Matière molle .

"Il y a eu récemment un grand intérêt pour la matière active et les systèmes qui montrent un comportement collectif, " a déclaré Biswal. "Nous sommes habitués à voir cela dans la façon dont les oiseaux se rassemblent ou les bactéries essaiment, mais maintenant nous pouvons le voir dans les matériaux synthétiques qui montrent également une capacité à se coupler les uns aux autres.

"Les champs magnétiques ont émergé comme un moyen d'amener les particules à faire des choses intéressantes, " elle a dit.

Di (Daniel) Du, ancien élève de Rice et auteur principal, a découvert les nageurs en étudiant comment les particules colloïdales paramagnétiques réagissent à un champ magnétique tournant, l'objet de plusieurs articles récents du laboratoire Biswal.

"Un jour, j'ai réalisé que certains d'entre eux nagent, " Du dit. " J'étais très intéressé par cela, j'ai donc examiné ce phénomène de locomotion spécifique sous un faible nombre de Reynolds." Un nombre de Reynolds quantifie la façon dont les objets se déplacent dans les fluides par rapport à leur viscosité, il a dit. « Donc, si vous voyez nager, ça veut dire qu'il se passe quelque chose.

"Nous avons découvert que dans certaines circonstances, surtout sous un champ magnétique excentrique, ces particules s'auto-assemblent en un nageur et cela devient un motif, " a dit Du.

Excentrique signifie que le point focal du champ magnétique tournant n'est pas le centre d'un colloïde mais se déplace autour de sa circonférence. Dans leurs expériences, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contrôler l'orbite de la petite particule en modifiant l'alimentation électrique de quatre électro-aimants contrôlés par ordinateur qui entourent la solution.

Les particules ne sont attachées que par le champ magnétique, donnant au plus petit la liberté de se déplacer dans un mouvement de nage avec une longue course de conduite et une courte course de retour. Les chercheurs ont appelé cela une brasse parce que, comme pour les nageurs humains, le coup ne l'oblige pas à casser la surface de la solution.

Pour rester dans le thème, Du a appelé les grosses particules « torses » et les petites « bras ». La capacité des nageurs à se déplacer lui a permis de prétendre qu'ils étaient encore plus simples que les "nageurs les plus simples possibles" conçus par le lauréat du prix Nobel Edward Purcell. Purcell a conçu des dispositifs théoriques de trois tiges rigides reliées par deux charnières, chaque charnière représentant un degré de liberté, et les considérait comme la configuration la plus simple pour un appareil qui pourrait nager "si vous déplacez les charnières d'une manière spécifiée, " a dit Du.

"Mais le nôtre est en fait plus simple, " il a dit, "comme j'ai diminué le nombre de composants rigides du prototype de Purcell."

Du a déclaré que les expériences et les simulations ont montré que les nageurs avec plusieurs torses et bras pouvaient être contrôlés, bien que leur vitesse varie en fonction de la force du champ et - dans les simulations - du mouvement brownien, l'omniprésent, poussée et traction aléatoires de molécules dans les gaz et les liquides.

Dans des tests avec des nageurs à particules multiples, Du a dit, certains bras dériveraient un peu plus du torse que d'autres. Parce que cette "fragmentation du bras" a influencé la vitesse du nageur, cela a aidé Du à bousculer les théories sur la façon dont les particules réagissent au mouvement brownien.

"Ce n'est que lorsqu'il y a un mouvement brownien que nous voyons cette fragmentation, " dit-il. " Avec le mouvement brownien, nos simulations correspondent aux résultats expérimentaux; parfois la fragmentation pousse les nageurs à nager plus lentement, et parfois plus vite. Sans mouvement brownien, il y a une énorme différence."

Des études antérieures sur le "théorème de la coquille Saint-Jacques" ont montré que le mouvement brownien peut influencer le mouvement des choses avec un mouvement alternatif, comme une coquille Saint-Jacques qui s'ouvre et se ferme simplement sans se propulser mais se déplace toujours de manière aléatoire. Les bras des nageurs de Du se déplacent de manière non réciproque - la course de conduite est plus longue que la course de retour - mais il a montré que leur vitesse est également influencée par le mouvement brownien.

Du a déclaré qu'il serait possible d'attacher des ligands ou des protéines aux grosses particules pour une livraison aux cellules ou à d'autres emplacements biologiques, et l'ensemble du véhicule pouvait être déplacé avec deux bobines magnétiques à des angles de 90 degrés.

"De cette façon, les nageurs pourraient servir de micro-robots, " il a dit.