Une nanoparticule conique (de couleur or) dans l'eau. La particule est exposée à une onde ultrasonore (les flèches vertes indiquent le sens de propagation de l'onde). Parce que les ultrasons ont un impact sur la particule, un champ d'écoulement est créé dans son environnement (les flèches noires en arrière-plan indiquent la direction et la force de l'écoulement à différentes positions). Le champ d'écoulement provoque la propulsion de la particule dans le sens de la flèche rouge. Crédit :Université de Münster - Groupe de travail Wittkowski.
Des nanomachines minuscules au microscope qui se déplacent comme des sous-marins avec leur propre propulsion, par exemple dans le corps humain, où elles transportent des agents actifs et les libèrent sur une cible :ce qui ressemble à de la science-fiction est devenu, au cours des 20 dernières années, une croissance de plus en plus rapide champ de recherche. Cependant, la plupart des particules développées jusqu'à présent ne fonctionnent qu'en laboratoire. La propulsion, par exemple, est un obstacle. Certaines particules doivent être alimentées en énergie sous forme de lumière, d'autres utilisent des propulsions chimiques qui libèrent des substances toxiques. Ni l'un ni l'autre de ces derniers ne peut être considéré pour n'importe quelle application dans le fuselage. Une solution au problème pourrait être des particules propulsées acoustiquement. Johannes Voß et le professeur Raphael Wittkowski de l'Institut de physique théorique et du Centre de nanosciences douces de l'Université de Münster (Allemagne) ont maintenant trouvé des réponses aux questions centrales qui empêchaient auparavant l'application de la propulsion acoustique. Les résultats ont été publiés dans la revue ACS Nano .
Les ondes ultrasonores progressives conviennent à la propulsion
Les ultrasons sont utilisés dans les nanomachines à propulsion acoustique car ils sont assez sûrs pour les applications dans le corps. L'auteur principal, Johannes Voß, résume les recherches menées jusqu'à présent comme suit :"Il existe de nombreuses publications décrivant des expériences. Cependant, les particules de ces expériences ont presque toujours été exposées à une onde ultrasonore stationnaire. Cela rend certes les expériences considérablement plus simples, mais en même temps, cela rend les résultats moins significatifs en ce qui concerne les applications possibles, car dans ce cas, des ondes ultrasonores progressives seraient utilisées." Cela est dû au fait que les ondes stationnaires sont produites lorsque des ondes se déplaçant dans des directions opposées se chevauchent.
Ce que les chercheurs n'avaient pas non plus pris en compte auparavant, c'est que dans les applications, les particules peuvent se déplacer dans n'importe quelle direction. Ainsi, ils ont laissé de côté la question de savoir si la propulsion dépend de l'orientation des particules. Au lieu de cela, ils n'ont regardé que les particules alignées perpendiculairement à l'onde ultrasonore. Maintenant, pour la première fois, l'équipe de chercheurs de Münster a étudié les effets de l'orientation à l'aide de simulations informatiques élaborées.
Ils sont arrivés à la conclusion que la propulsion des nanoparticules dépendait de leur orientation. Dans le même temps, le mécanisme de propulsion acoustique dans les ondes ultrasonores progressives fonctionne si bien pour toutes les orientations des particules, c'est-à-dire non seulement exactement perpendiculaires à l'onde ultrasonore, que ces particules peuvent vraiment être utilisées pour des applications biomédicales. Un autre aspect que les physiciens de Münster ont examiné était la propulsion que les particules présentaient lorsqu'elles étaient exposées à des ultrasons provenant de toutes les directions (c'est-à-dire des "ultrasons isotropes").
Une base pour l'étape vers l'application
"Our results showed how the particles will behave in applications and that the propulsion has the right properties for the particles to actually be used in these applications," Johannes Voß concludes. As Raphael Wittkowski adds, "We have revealed important properties of acoustically propelled nanoparticles which had not previously been studied, but which need to be understood to enable the step to be made from basic research to the planned applications involving the particles."
The two Münster researchers examined conical particles, as they can move fast even at a low intensity of ultrasound—i.e. they have efficient propulsion—and also they can easily be produced in large numbers. The particles are almost one micrometer in size—almost a thousand nanometres. In comparison, a red blood cell has a diameter of around 7.7 micrometers. This means that the nanoparticles could move through the bloodstream without blocking up the finest blood vessels. "The particle size can be selected in line with what is needed in the particular application intended, and the propulsion mechanism also functions in the case of smaller and larger particles," Johannes Voß explains. "We simulated the particles in water, but the propulsion is also suitable for other fluids and for tissue."
By means of computer simulations, the team investigated systems and their properties which could not be studied in the many preceding experiments. Looking into the future, Raphael Wittkowski says, "An important step would be for experiment-based research to move on to looking at these systems." Acoustically driven microrobot outshines natural microswimmers
