Conception conceptuelle pour la conduite et la direction optiques de micronageurs opto-thermoélectriques. (a) Sous des champs lumineux, Les particules PS/Au Janus sont réglées pour nager et tourner alternativement pour suivre un chemin prédéfini. (b) Lors d'une irradiation lumineuse sur une particule de Janus, un gradient de température ∇T pointant du côté PS vers le côté Au est généré sur la surface des particules en raison de l'absorption asymétrique du PS et de l'Au. (c) Une fois la particule de Janus dispersée dans une solution de CTAC 0,2 mM, un champ thermoélectrique est induit pour entraîner la particule de Janus le long du gradient de température. Les symboles blancs "+" indiquent la surface chargée positivement. En b, c, le chauffage asymétrique et le champ thermoélectrique sous un faisceau laser défocalisé sont représentés dans le plan X-Z. (d) Illustration schématique et chauffage asymétrique de la particule Janus lorsqu'elle est réglée pour tourner (comme indiqué par la flèche marron) dans le plan X-Y par un autre faisceau laser focalisé (indiqué par la région verte entourée d'un cercle en pointillés). En ré, e, le faisceau laser défocalisé est éteint Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Dans un récent rapport, Xiaolei Peng et une équipe de scientifiques en science et ingénierie des matériaux à l'Université du Texas, NOUS., et l'Université Tsinghua, Chine, développé des micronageurs opto-thermoélectriques bioinspirés par les comportements de mouvement d'Escherichia coli (E. coli). Ils ont conçu les micronageurs en utilisant des particules diélectriques d'or Janus entraînées par un champ électrique auto-entretenu résultant de la réponse optothermique des particules. Quand ils ont illuminé les constructions avec un faisceau laser, les particules de Janus ont montré un gradient de température généré optiquement le long des surfaces des particules, formant un champ opto-thermoélectrique pour se propulser.
L'équipe a découvert la direction de nage des micronageurs en fonction de l'orientation de la particule. Ils ont proposé une nouvelle approche optomécanique pour comprendre la direction de navigation des micronageurs qui reposait sur un champ électrique induit par gradient de température, à l'aide d'un faisceau laser focalisé. En chronométrant le deuxième faisceau laser de rotation dans la configuration, ils ont positionné les particules dans n'importe quelle orientation souhaitée pour contrôler efficacement la direction de la nage. À l'aide d'une imagerie optique en champ sombre et d'un algorithme de contrôle de rétroaction, les scientifiques ont facilité la propulsion automatisée des micronageurs. Les micronageurs opto-thermoélectriques auront des applications dans les systèmes colloïdaux, administration ciblée de médicaments et détection biomédicale. La recherche est maintenant publiée dans Lumière de la nature :science et applications .
Micronageurs
Les micronageurs sont une classe de micromachines qui peuvent convertir des produits chimiques externes, l'énergie acoustique ou électromagnétique en mouvement de nage. De telles machines peuvent être utilisées pour diverses applications biomédicales allant de l'administration ciblée de médicaments à la nanochirurgie de précision et à la détection diagnostique. Dans ce travail, Peng et al. ont utilisé des micronageurs tout optiques basés sur des particules de Janus dans un champ électrique généré de manière optothermique pour construire des micronageurs opto-thermoélectriques qui imitaient le mouvement « run-and-tumble » des cellules d'E. coli. Dans son mécanisme d'action, l'absorption asymétrique de la lumière d'une particule de Janus sous irradiation par faisceau laser a provoqué un gradient de température auto-généré pour un champ opto-thermoélectrique résultant qui a propulsé la particule. Les scientifiques ont conduit le processus à l'aide de deux faisceaux laser, où le deuxième faisceau laser focalisé a déclenché la rotation dans le plan de particules individuelles de Janus sous chauffage optique. L'équipe a obtenu une rotation stable des particules grâce à la force thermoélectrique, force optique et force de traînée dans la configuration. Peng et al. approfondi les mécanismes de travail en couplant des expériences avec de la théorie et des simulations.
Une particule de PS/Au Janus de 2,1 m nageant dans une solution de 0,2 mM de CTAC (chlorure de cétyltriméthylammonium). Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5 
Pour faciliter la conversion d'énergie photon-phonon (lumière-son), l'équipe a développé des nageurs opto-thermoélectriques en recouvrant à moitié une fine couche d'or (Au) à la surface de billes de polystyrène (PS). Lors d'une irradiation lumineuse, la différence d'absorption entre PS et Au a créé un gradient de température sur la surface des particules PS/Au Janus. Peng et al. dispersé les particules de Janus dans une solution aqueuse pour convertir l'énergie thermique en énergie mécanique. Lorsqu'il est entraîné par le champ thermoélectrique et irradié par un faisceau laser, les particules de Janus ont migré le long de la direction PS vers Au pour démontrer l'état de nage. Cependant, les fluctuations thermiques pourraient modifier l'orientation des particules de Janus, les faisant s'éloigner de leur trajectoire pendant la migration. Pour maintenir le cap visé, les scientifiques ont éteint le faisceau laser défocalisé et utilisé un faisceau laser focalisé pour faire pivoter et piéger les particules de Janus afin de les réorienter. En atteignant leur orientation destinée, ils ont éteint le faisceau laser focalisé et ont ramené les particules de Janus au faisceau laser défocalisé pour les ramener à l'état de nage. Ce processus de commutation à deux états a fourni la meilleure conception possible pour naviguer activement dans les micronageurs pour une variété de fonctionnalités.
Natation opto-thermoélectrique de particules PS/Au Janus sous un faisceau laser défocalisé. (a) Illustration schématique du mécanisme de nage. La vitesse est dirigée de l'hémisphère PS vers l'hémisphère revêtu d'Au. (b) Vitesse de nage en fonction de la puissance optique pour des particules PS/Au Janus de 5 µm. Un faisceau laser de 660 nm avec une taille de faisceau de 31 µm a été appliqué pour conduire la nage. (c) Images résolues en temps d'une particule PS/Au de 2,1 µm nageant. Un faisceau laser de 1064 nm avec une taille de faisceau de 31 µm et une puissance de 32 mW a été appliqué pour piloter la nage. (d) Vitesse de nage en fonction de la puissance optique pour des particules PS/Au Janus de 2,1 µm. Deux faisceaux laser différents, c'est à dire., un faisceau laser de 1064 nm avec une taille de faisceau de 45 µm et un faisceau laser de 660 nm avec une taille de faisceau de 45 µm, ont été appliqués pour conduire la natation. Les encarts de b, d montrent une particule PS/Au Janus amenée à nager sous un faisceau laser défocalisé. Toutes les tailles de faisceau susmentionnées ont été obtenues par mesure expérimentale. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Contrôle opto-thermoélectrique de la nage et de l'orientation
Lorsque Peng et al. utilisé un faisceau laser défocalisé pour le mouvement dirigé de micronageurs opto-thermoélectriques, ils ont réalisé un "pool d'énergie" pour les particules de Janus. Ils ont nommé le mouvement le long du gradient de température auto-généré comme auto-thermophorèse. Dans la solution environnante de chlorure de cétyltriméthylammonium (CTAC), l'auto-thermophorèse est née d'effets thermoélectriques pour permettre le mouvement caractéristique des particules. L'équipe pourrait réduire l'épaisseur de la chambre du dispositif expérimental pour stabiliser le flux fluidique et faciliter le transport directionnel des particules de Janus. Étant donné que l'orientation des particules de Janus pourrait être modifiée de manière aléatoire par les fluctuations thermiques, l'équipe a utilisé un deuxième faisceau laser focalisé pour obtenir une rotation des particules afin de naviguer efficacement dans la direction de la nage. Ils y sont parvenus en commutant des faisceaux laser pour analyser quantitativement la particule de Janus en rotation et extraire leur position en temps réel, ainsi que les données d'orientation.
Lorsque la puissance du laser a augmenté, la rotation des particules a également augmenté, bien que l'augmentation continue de la puissance du laser ait causé de forts effets de chauffage et des dommages thermiques à la particule de Janus. La vitesse de rotation dépend de la taille des particules. Pour comprendre la force thermoélectrique, Peng et al. simulé la distribution de température sur les surfaces des particules PS/Au Janus. Ensuite, ils ont calculé la force thermoélectrique et la force optique pour comprendre la dynamique de rotation. L'équipe a mené d'autres investigations pour comprendre le comportement d'auto-alignement de la particule de Janus.
Contrôle de l'orientation des particules PS/Au Janus avec un faisceau laser focalisé. (a) Configuration et (b) image en fond noir correspondante d'une particule libre de PS/Au Janus de 2,7 µm dans le plan X–Z. (c) Configuration et (d) image en fond noir correspondante d'une particule PS/Au Janus rotative de 2,7 µm dans le plan X–Z. (e) Images en champ noir résolues en temps de la rotation d'une particule PS/Au Janus de 2,7 µm. Le demi-cyan, des particules mi-dorées dans les médaillons illustrent les configurations correspondantes, tandis que les flèches marron dans les médaillons illustrent les orientations. Le point vert dans les médaillons représente le faisceau laser (avec une longueur d'onde de 532 nm). (f) Déplacement du centre de la particule Janus de 2,7 µm en fonction du temps. Le centre du faisceau est défini comme l'origine des coordonnées. Les courbes sinusoïdales d'ajustement indiquent une rotation circulaire. (g) Evolution de l'orientation de la particule Janus de 2,7 µm en fonction du temps. L'onde en dents de scie appropriée indique une direction cohérente de l'orientation. (h) Vitesse de rotation en fonction de la puissance optique pour des particules PS/Au Janus de 2,7 µm. En addition, pour une particule Janus libre, aucune limite au niveau de l'hémisphère des particules n'a été observée dans l'image optique en champ sombre car la partie revêtue d'Au avait tendance à s'aligner avec la direction de la gravité. En revanche, lorsque la rotation dans le plan de la particule Janus a été initiée, l'interface PS-Au est devenue perpendiculaire au substrat en raison de l'effet coordonné de la force thermoélectrique et de la force optique. Un anneau asymétrique a été observé dans l'image optique en fond noir, avec le demi-anneau le plus brillant correspondant au revêtement Au en raison de sa plus forte diffusion optique. L'encart illustre la rotation sous un faisceau laser vert (avec une longueur d'onde de 532 nm). La taille du faisceau laser sur le plan de l'échantillon est de 2,65 µm pour e, h. Une puissance de 1,9 µmW a été appliquée pour la rotation dans (e) Contrôle d'orientation des particules PS/Au Janus avec un faisceau laser focalisé. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
Méthode de contrôle de la rétroaction
L'équipe a ensuite établi un algorithme de rétroaction pour faciliter la navigation active et orienter la direction de nage des particules de Janus. Pour réaliser un contrôle en boucle fermée, ils ont développé un programme informatique pour suivre la position et l'orientation en temps réel d'une particule Janus donnée et ont automatiquement coordonné le système de contrôle. Dans le montage expérimental, deux obturateurs commandés par ordinateur dictaient les états marche/arrêt de deux faisceaux laser individuels. Les scientifiques ont conduit avec succès la nage directionnelle des particules de Janus, où une augmentation de la vitesse de rotation a réduit la précision de contrôle de la direction de nage. Pour en tenir compte, Peng et al. a utilisé une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) à fréquence d'images plus élevée pour améliorer considérablement la précision du contrôle de rétroaction. Ils ont ensuite démontré la navigation active des particules PS/Au Janus en utilisant l'algorithme de contrôle de rétroaction pour le transport ciblé de nageurs opto-thermoélectriques. Les travaux ont indiqué le potentiel des micronageurs opto-thermoélectriques pour transporter des molécules médicamenteuses et des pièces non métalliques pour une administration précise avec des applications potentielles dans l'administration ciblée de nano/micromédicaments.
Natation directionnelle et transport ciblé de particules PS/Au Janus avec une méthode de rétrocontrôle. (a) Illustration schématique de la nage directionnelle avec contrôle de rétroaction sur les images enregistrées expérimentalement, où un faisceau laser vert focalisé et un faisceau laser rouge défocalisé ont été utilisés pour naviguer et conduire la nage, respectivement. (b) Organigramme de la méthode de contrôle par rétroaction. (c) Configuration optique et disposition mécanique pour la méthode de contrôle par rétroaction. (d) Trajectoires de particules PS/Au Janus de 5 µm nageant dans différentes directions. (e) Livraison ciblée d'une particule de PS/Au Janus de 5 µm à une particule de PS de 10 µm. Un faisceau laser 5 µm 532 nm avec une puissance de 2,6 mW a été utilisé pour entraîner la rotation, tandis qu'un faisceau laser de 660 nm avec une taille de faisceau de 31 µm et une puissance de 160-200 mW a été appliqué pour conduire la nage. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00378-5
De cette façon, Xiaolei Peng et ses collègues ont développé des micronageurs opto-thermoélectriques avec un actionnement et une navigation entièrement optiques. Ils y sont parvenus en exploitant le couplage opto-thermoélectrique des particules de Janus. La chaleur générée par les particules Janus irradiées par la lumière a créé un champ thermoélectrique pour propulser les particules dans une direction spécifique sans combustible chimique. Ils ont utilisé un faisceau laser focalisé pour orienter l'orientation des micronageurs et ont contrôlé la rotation des particules de Janus avec un deuxième faisceau. Le mécanisme peut être exploré plus avant pour développer des microrobots intelligents pour de multiples tâches en biomédecine.
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