Un diagramme schématique montrant l'observation de particules se déplaçant à travers un matériau poreux générique. Crédit :Haichao Wu
Des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder ont découvert que minuscule, les particules automotrices appelées « nanonageurs » peuvent s'échapper des labyrinthes jusqu'à 20 fois plus vite que les autres particules passives, ouvrant la voie à leur utilisation dans tout, des nettoyages industriels à la livraison de médicaments.
Les résultats, publié cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , décrivent comment ces minuscules nanorobots synthétiques sont incroyablement efficaces pour s'échapper des cavités dans des environnements de type labyrinthe. Ces nanonageurs pourraient un jour être utilisés pour assainir les sols contaminés, améliorer la filtration de l'eau ou même délivrer des médicaments à des zones ciblées du corps, comme dans les tissus denses.
« Il s'agit de la découverte d'un phénomène entièrement nouveau qui indique un large éventail d'applications potentielles, " a déclaré Daniel Schwartz, auteur principal de l'article et professeur titulaire Glenn L. Murphy de génie chimique et biologique.
Ces nanonageurs ont attiré l'attention de la communauté de la physique théorique il y a environ 20 ans, et les gens ont imaginé une multitude d'applications du monde réel, selon Schwartz. Mais malheureusement ces applications tangibles n'ont pas encore été réalisées, en partie parce qu'il a été assez difficile d'observer et de modéliser leur mouvement dans des environnements pertinents, jusqu'à présent.
Ces nanonageurs, aussi appelées particules de Janus (du nom d'un dieu romain à deux têtes), sont de minuscules particules sphériques composées de polymère ou de silice, conçu avec des propriétés chimiques différentes de chaque côté de la sphère. Un hémisphère favorise l'apparition de réactions chimiques, mais pas l'autre. Cela crée un champ chimique qui permet à la particule de puiser de l'énergie dans l'environnement et de la convertir en mouvement directionnel, également connu sous le nom d'autopropulsion.
« En biologie et dans les organismes vivants, la propulsion cellulaire est le mécanisme dominant qui provoque le mouvement, et encore, dans les applications techniques, il est rarement utilisé. Notre travail suggère qu'il y a beaucoup que nous pouvons faire avec l'autopropulsion, " dit Schwartz.
En revanche, les particules passives qui se déplacent de manière aléatoire (une sorte de mouvement connu sous le nom de mouvement brownien) sont appelées particules browniennes. Ils portent le nom du scientifique du 19e siècle Robert Brown, qui a étudié des choses telles que le mouvement aléatoire des grains de pollen en suspension dans l'eau.
Les chercheurs ont converti ces particules browniennes passives en particules Janus (nanonageurs) pour cette recherche. Ensuite, ils ont fait essayer à ces nanonageurs automoteurs de se déplacer dans un labyrinthe constitué d'un milieu poreux, et comparé l'efficacité avec laquelle ils ont trouvé des voies d'évacuation par rapport aux particules browniennes passives.
Les résultats ont été choquants, même aux chercheurs.
Une image de microscopie électronique à balayage représentative d'opales inverses, le milieu poreux utilisé dans cette recherche. De grands motifs circulaires indiquent les cavités serrées, et de petits motifs elliptiques indiquent les trous reliant les cavités adjacentes. Chaque cavité était reliée à ses cavités adjacentes par douze trous. Crédit : Haichao Wu
Les particules Janus étaient incroyablement efficaces pour s'échapper des cavités dans le labyrinthe - jusqu'à 20 fois plus vite que les particules browniennes - car elles se déplaçaient stratégiquement le long des parois de la cavité à la recherche de trous, ce qui leur a permis de trouver les issues très rapidement. Leur autopropulsion semblait également leur donner un regain d'énergie nécessaire pour traverser les trous de sortie dans le labyrinthe.
"Nous savons que nous avons beaucoup d'applications pour les nanorobots, surtout dans des environnements très confinés, mais nous ne savions pas vraiment comment elles se déplacent et quels sont les avantages par rapport aux particules browniennes traditionnelles. C'est pourquoi nous avons commencé une comparaison entre ces deux, " dit Haichao Wu, auteur principal de l'article et étudiant diplômé en génie chimique et biologique. "Et nous avons découvert que les nanonageurs sont capables d'utiliser une manière totalement différente de rechercher dans ces environnements de labyrinthe."
Bien que ces particules soient incroyablement petites, environ 250 nanomètres—juste plus large qu'un cheveu humain (160 nanomètres), mais encore beaucoup, beaucoup plus petit qu'une tête d'épingle (1 à 2 millimètres) - le travail est évolutif. Cela signifie que ces particules pourraient naviguer et pénétrer dans des espaces aussi microscopiques que les tissus humains pour transporter des marchandises et livrer des médicaments, ainsi qu'à travers le sol souterrain ou les plages de sable pour éliminer les polluants indésirables.
Essaim de nanonageurs
La prochaine étape de cet axe de recherche est de comprendre comment les nanonageurs se comportent en groupe dans des environnements confinés, ou en combinaison avec des particules passives.
« Dans les environnements ouverts, les nanonageurs sont connus pour afficher un comportement émergent - un comportement qui est plus que la somme de ses parties - qui imite le mouvement d'essaimage des volées d'oiseaux ou des bancs de poissons. Cela a été une grande partie de l'impulsion pour les étudier, " dit Schwartz.
L'un des principaux obstacles à l'atteinte de cet objectif est la difficulté de pouvoir observer et comprendre le mouvement 3D de ces minuscules particules au plus profond d'un matériau composé d'espaces interconnectés complexes.
Wu a surmonté cet obstacle en utilisant un liquide à indice de réfraction dans le milieu poreux, qui est un liquide qui affecte la vitesse à laquelle la lumière traverse un matériau. Cela a rendu le labyrinthe essentiellement invisible, tout en permettant l'observation du mouvement des particules en 3D à l'aide d'une technique connue sous le nom de microscopie à fonction d'étalement de point à double hélice.
Cela a permis à Wu de suivre les trajectoires tridimensionnelles des particules et de créer des représentations visuelles, une avancée majeure par rapport à la modélisation 2D typique des nanoparticules. Sans cette avancée, il ne serait pas possible de mieux comprendre le mouvement et le comportement des individus ou des groupes de nanonageurs.
« Cet article est la première étape :il fournit un système modèle et la plate-forme d'imagerie qui nous permettent de répondre à ces questions, " a déclaré Wu. " La prochaine étape consiste à utiliser ce modèle avec une plus grande population de nanonageurs, pour étudier comment ils sont capables d'interagir les uns avec les autres dans un environnement confiné."
