Esquisse du nouveau mécanisme catalytique proposé dans le présent article de Nature Communications. La particule est constituée de dioxyde de titane avec un hémisphère recouvert d'or. Son mouvement est induit par un éclairage extérieur. Sous feu vert, la particule se déplace vers la calotte en or, mais lorsqu'il est exposé à la lumière UV, il inverse le sens de son mouvement et se déplace dans le sens opposé. Crédit:UW Physics, M. Lisicki
Chercheurs de la Faculté de Physique de l'Université de Varsovie, L'ETH de Zurich et l'Université de Cambridge ont synthétisé et analysé des microparticules actives s'autopropulsant dans un fluide et inversant leur sens de propulsion en fonction de la longueur d'onde de la lumière d'éclairage. Un article de recherche résumant leurs travaux a récemment été publié dans Communication Nature .
La matière active englobe des systèmes avec des éléments automoteurs qui tirent l'énergie de l'environnement et la convertissent en énergie cinétique. C'est actuellement une discipline vivante en physique, couvrant de nombreuses échelles de temps et de longueur, concernant, par exemple., le comportement des oiseaux en troupeau (comme les murmures des étourneaux), bancs de poissons (comme forme de protection contre les prédateurs), et aussi des bactéries dans les biofilms et autres micronageurs aquatiques. Il se concentre à la fois sur le comportement des éléments individuels et sur la compréhension de leurs mécanismes de conversion d'énergie, interaction et couplage avec l'environnement si important pour la survie, et sur les effets collectifs et l'émergence de nouveaux phénomènes dans de grandes populations. Les deux peuvent être décrits avec succès à différents niveaux de précision, à partir de modèles simplistes minimaux à gros grains, et jusqu'à des simulations numériques affinées.
Bactéries, algues, spermatozoïdes, les ciliés et autres organismes unicellulaires constituent un groupe important de nageurs actifs. L'exploration des bases physiques de leur dynamique est souvent compliquée par leur immense diversité, complexité biologique, et une grande sensibilité aux conditions extérieures. Le micromonde aquatique est, cependant, régie par les lois universelles de la dynamique des fluides, qui impose des limites à tous les organismes.
En raison de leurs petites tailles—micromètres, généralement - et des vitesses de nage ne dépassant pas des dizaines de longueurs de corps par seconde, l'écoulement autour d'eux est dominé par des effets visqueux. Cela signifie que les stratégies de nage des requins ou des nageurs olympiques échouent complètement en compétition à micro-échelle. La nage à grande échelle est basée sur l'inertie et le fait de repousser rapidement l'eau. A micro-échelle, les effets inertiels sont négligeables et l'eau se comporte comme un fluide très visqueux, comme le miel ou le sirop d'or. Imaginez-vous nager dans une piscine remplie de miel – un coup de crawl serait très épuisant et très inefficace. D'où, les micro-organismes nageurs ont imaginé d'autres stratégies de propulsion basées sur l'exploitation de la viscosité. Les bactéries ont souvent des flagelles hélicoïdaux, qu'ils utilisent pour "visser" le fluide comme un tire-bouchon. Il s'avère que dans le micromonde visqueux, cette stratégie permet une locomotion efficace. De plus gros organismes, tels que les ciliés (et la paramécie parmi eux), ont des corps couverts de milliers de cils, ressemblant à de petits cheveux. Ils les déplacent de manière coordonnée, de la même manière qu'une vague mexicaine dans un stade. Cela permet au fluide d'être traîné le long de la surface de la cellule, et comme résultat, la cellule se propulse dans la direction opposée à la propagation de l'onde ciliaire.
La compréhension de ces mécanismes a inspiré le développement d'un nouveau domaine de micronageurs synthétiques. La vision de concevoir des microrobots dans les laboratoires a enthousiasmé les chercheurs depuis de nombreuses années en raison des applications potentiellement larges dans le diagnostic, médecine et technologie, comme l'administration ciblée de médicaments à l'intérieur du corps du patient. De cette perspective, il est d'une importance vitale non seulement de concevoir de tels nageurs, mais aussi de contrôler leur mouvement.
Le nouveau mécanisme d'autopropulsion double catalytique pour les particules Janus de l'article de Nature Communications. Les particules sont constituées d'anatase (une forme minérale du dioxyde de titane) et ont un hémisphère (brillant) recouvert d'or, comme on le voit dans l'image au microscope électronique en médaillon dans le coin supérieur gauche. Les images microscopiques à fond clair sont des images d'un film, dans lequel initialement (a-d) la particule présente un mouvement brownien libre. L'éclair marque le début de l'illumination. (e-h) La particule se propulse lorsque la lumière UV active le premier mécanisme catalytique. Dans le dessin schématique en (e, i) la couleur or représente l'hémisphère revêtu. (i-l) Le changement d'éclairage en lumière visible verte induit un mouvement dans la direction opposée. La barre d'échelle en (l) est de 5 micromètres. Crédit:UW Physics, M. Lisicki
Le mécanisme est également exploité dans les organismes multicellulaires, par exemple., les cils dans les poumons humains et l'appareil reproducteur sont essentiels pour le transport du mucus. Et il a inspiré nombre de nageurs utilisant le phénomène de diffusiophorèse. Pour l'expliquer, considérons l'exemple d'une particule de Janus, inspiré du dieu romain à deux visages. Une réalisation typique est une microparticule sphérique avec un hémisphère recouvert d'or, et l'autre recouvert de platine. Lorsqu'il est placé dans une solution de peroxyde d'hydrogène (H
De nombreux mécanismes de propulsion ont été proposés et sont disponibles pour la matière active synthétique. Le défi reste de contrôler le mouvement d'un nageur, ou programmez-le de telle sorte qu'il puisse atteindre un endroit prédéfini et par ex. délivrer un médicament à une partie choisie du corps. Alternativement, il pourrait être dirigé par un stimulus externe, comme le rayonnement électromagnétique, champs électriques ou magnétiques, les ondes sonores, ou température inhomogène.
Un pas dans cette direction est présenté dans le nouvel article de chercheurs de l'Université de Varsovie, ETH à Zurich, et Université de Cambridge, publié récemment dans Communication Nature . Il démontre roman, particules de Janus modifiées, se déplaçant dans un fluide sous l'influence d'un éclairage extérieur, avec la direction du mouvement en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. Les particules d'un diamètre de 3,5 microns étaient constituées d'anatase, un polymorphe du dioxyde de titane, avec un hémisphère recouvert d'or. Lorsqu'il est éclairé avec une lumière visible verte, les particules se dirigent vers la calotte en or, tandis que lorsqu'il est exposé à la lumière UV, ils inversent le sens de leur mouvement. Les particules ont été synthétisées par le Dr Hanumantha Rao Vutukuri et le Prof. Jan Vermant à l'ETH Zurich, où tous les travaux expérimentaux ont été effectués.
"En changeant la longueur d'onde de la lumière, nous activons différents mécanismes catalytiques à la surface des particules, par lequel nous pouvons rapidement diriger le mouvement de manière contrôlée », explique le Dr Maciej Lisicki de la Faculté de physique, Université de Varsovie. "De plus, on voit des dynamiques collectives très intéressantes :les particules peuvent s'attirer ou se repousser, en fonction de leur orientation relative et de la couleur de la lumière d'éclairage. Accorder ceci, on observe des processus rapides de fusion et de fission, que nous pouvons diriger."
Dynamique de fusion et de fission de colloïdes photosensibles commutables. Effets collectifs dans la dynamique de nouvelles particules catalytiques décrites dans l'article de Nature Communications. Les flèches indiquent la direction du mouvement des particules. La couleur de l'éclair en gras décrit le type d'éclairage (bleu pour la lumière UV, vert pour la lumière verte visible). (a-f) Fusion :évolution temporelle et croissance dynamique des clusters conduisant à la formation d'un seul cluster. (g-l) Fission :après le changement d'éclairement, le sens du flux créé par les particules individuelles s'inverse, et le grand amas explose, créant de petits îlots de particules. (m-p) Les flèches rouges pointent vers l'hémisphère de dioxyde de titane (partie brillante de la particule) et indiquent la direction du mouvement. (q-t) Les flèches cyan indiquent la direction du mouvement sous le passage à l'éclairage vert. La barre d'échelle est de 5 micromètres. Crédit :Nature Communications 11, 2628 (2020)
La description du mouvement dans un tel système nécessite de considérer à la fois les interactions chimiques des particules et leurs champs de concentration inhomogènes des réactifs créés à leur surface, ainsi que l'écoulement hydrodynamique provoqué par leur présence. Le modèle théorique permettant de décrire la dynamique de ces nouvelles particules actives a été construit par le Dr Maciej Lisicki (Varsovie) et le Prof. Eric Lauga (Cambridge).
« Aux tailles micrométriques, nous pensons que le fluide autour des particules est très visqueux, " explique Maciej Lisicki. " Leurs interactions hydrodynamiques sont donc très éloignées. Le mouvement de chaque particule est ressenti par toutes les autres."
Les chercheurs, qui travaillent depuis longtemps sur les applications de la diffusiophorèse à la synthèse de nageurs artificiels et au pompage microscopique, croire que ce roman, mécanisme réversible et contrôlé d'autopropulsion des particules de Janus est un pas vers des microrobots plus complexes qui seront à terme capables de transporter des cargaisons à l'échelle cellulaire. Il pourrait également être utilisé pour contrôler le mouvement collectif à l'échelle microscopique par agitation locale induite par la lumière dans des suspensions de particules actives et des mélanges de colloïdes actifs et passifs en suspension dans un fluide.