Un nouveau, Facile, et une méthode peu coûteuse qui utilise la lumière ultraviolette pour contrôler le mouvement et l'assemblage des particules dans les liquides pourrait améliorer l'administration du médicament, capteurs chimiques, et pompes à fluide. La méthode encourage les particules—de microbilles de plastique, aux spores bactériennes, aux polluants - se rassembler et s'organiser à un endroit spécifique dans un liquide et, si on le désire, pour déménager dans de nouveaux endroits. Un article décrivant la nouvelle méthode paraît dans la revue Angewandte Chemie .

« De nombreuses applications liées aux capteurs, l'administration de médicaments, et les nanotechnologies nécessitent le contrôle précis de l'écoulement des fluides, " a déclaré Ayusman Sen, Professeur émérite de chimie à Penn State et auteur principal de l'article. « Les chercheurs ont développé un certain nombre de stratégies pour y parvenir, y compris les nanomoteurs et les pompes à fluide, mais avant cette étude, nous n'avions pas de moyen facile de rassembler des particules à un endroit particulier afin qu'elles puissent remplir une fonction utile, puis les déplacer vers un nouvel emplacement afin qu'elles puissent à nouveau remplir la fonction.

"Dites par exemple que vous voulez construire un capteur pour détecter les particules d'un polluant, ou des spores bactériennes dans un échantillon d'eau, " a déclaré le sénateur "Avec cette nouvelle méthode, nous pouvons simplement ajouter des nanoparticules d'or ou de dioxyde de titane et allumer une lumière pour encourager les particules polluantes ou les spores à se rassembler. En les concentrant en un seul endroit, ils deviennent plus faciles à détecter. Et parce que la lumière est si facile à manipuler, nous avons un haut degré de contrôle."

De la même manière que les particules polluantes peuvent être rassemblées à un endroit particulier, le procédé pourrait être utilisé pour recueillir des billes de silice ou de polymère portant une charge utile, comme des anticorps ou des médicaments, à des emplacements particuliers dans un fluide.

La nouvelle méthode consiste d'abord à ajouter une petite quantité de dioxyde de titane ou de nanoparticules d'or à un liquide, comme l'eau, qui contient également des particules d'intérêt plus grosses, comme des polluants ou des billes transportant une charge utile. Faire briller une lumière à un endroit précis du liquide chauffe les minuscules nanoparticules métalliques, et la chaleur est ensuite transférée au fluide. Le liquide plus chaud monte alors au point de lumière - tout comme l'air chaud monte dans une pièce froide - et de l'eau plus froide se précipite pour remplir l'espace que l'eau chaude vient de laisser, emportant avec lui les plus grosses particules.

"Cela provoque la collecte des particules les plus grosses au point de la lumière UV, où ils forment étroitement emballés, des structures bien organisées appelées cristaux colloïdaux, " a déclaré Benjamin Tansi, étudiant diplômé en chimie à Penn State et premier auteur de l'article. "La modification de l'intensité de la lumière ou de la quantité de dioxyde de titane ou de particules d'or modifie la rapidité avec laquelle ce processus se produit."

Lorsque la lumière est supprimée, les plus grosses particules diffusent de manière aléatoire à travers le liquide. Mais si la lumière est plutôt déplacée, les plus grosses particules se déplacent vers le nouveau point de lumière, maintiennent principalement leur structure pendant qu'ils se déplacent. Cette assemblée dynamique, démontage, et le mouvement des particules organisées peut avoir des implications importantes pour la détection et l'administration de médicaments.

"Ce procédé est plus efficace lorsque des nanoparticules d'or sont utilisées, mais nous voulions trouver une alternative moins chère et plus accessible, " a déclaré Tansi. "Nous avons été ravis de constater que cette méthode fonctionne également avec du dioxyde de titane, une nanoparticule peu coûteuse et inoffensive utilisée en cosmétique et comme additif alimentaire."

En plus de l'eau, les chercheurs ont démontré l'efficacité de cette méthode dans l'hexadécane, un liquide organique.

"Les particules ne s'assemblent généralement pas très bien dans des environnements salés ou non aqueux car tout colle ensemble, " a déclaré le sénateur. "Mais ici, nous montrons que des particules peuvent s'assembler en utilisant cette méthode dans l'hexadécane, ce qui suggère que nous pourrions être en mesure d'appliquer cette technique dans, par exemple, fluides biologiques. À notre connaissance, il s'agit de la première démonstration de pompage de fluide entraîné par la lumière dans un milieu organique."

Les membres de l'équipe de recherche de l'Université de Pittsburgh dirigée par Anna Balazs ont utilisé des modèles mathématiques pour décrire la dynamique du système. En plus de décrire comment les particules se déplacent dans le système, les modèles confirment que seul un changement mineur de température - moins d'un degré Celsius - de la lumière ultraviolette est nécessaire pour induire l'écoulement du fluide.

L'équipe de recherche teste actuellement les limites de cette méthode, par exemple, si les particules peuvent monter vers la source lumineuse ou si la méthode peut être utilisée pour trier les particules par taille.

"Nous savions que chauffer des nanoparticules d'or en suspension pouvait créer un écoulement fluide, " dit Tansi, "mais avant cette étude, personne n'avait cherché à voir si ces types de flux de fluides thermiquement pouvaient être utilisés pour faire quelque chose d'utile. Parce que la lumière ultraviolette et le dioxyde de titane sont si faciles à contrôler, nous pensons que cette méthode pourrait être exploitée dans diverses technologies à l'avenir. Par exemple, une pompe à fluide qui repose sur cette méthode pourrait potentiellement remplacer les pompes traditionnelles encombrantes et plus chères qui nécessitent une source d'alimentation ou qui reposent sur des mouvements magnétiques ou mécaniques pour fonctionner.