Les systèmes de matière active présentent des comportements uniques qui incluent des structures d'auto-assemblage collectif et une migration collective. Cependant, les efforts visant à réaliser des entités collectives dans des espaces sans support mural, afin de conduire une locomotion tridimensionnelle sans dispersion, sont difficiles.
Dans une nouvelle étude publiée dans Science Advances , Mengmeng Sun et une équipe de recherche en génie mécanique et intelligence physique en Chine et en Allemagne, se sont bioinspirés des mécanismes de migration du plancton et ont proposé une stratégie d'actionnement bimodale en combinant les champs magnétiques et optiques.
Alors que le champ magnétique déclenchait l'auto-assemblage de particules colloïdales magnétiques pour maintenir de nombreux colloïdes en tant qu'entité dynamiquement stable, les champs optiques permettaient aux collectifs colloïdaux de générer un flux convectif grâce à des effets photothermiques pour une dérive 3D. Les collectifs ont effectué une locomotion 3D sous l'eau pour fournir un aperçu de la conception d'appareils intelligents et de matériaux intelligents pour la matière active synthétique capable de réguler le mouvement collectif dans l'espace 3D.
La matière vivante active est omniprésente dans la nature, offrant des collectifs auto-assemblés capables d'accomplir des tâches complexes qui dépassent les capacités individuelles, notamment des troupeaux d'oiseaux et des colonies de bactéries.
Bioinspiré par les collectifs naturels, il est possible d’examiner les colloïdes en tant qu’éléments constitutifs de matériaux, un peu comme les atomes qui forment les éléments constitutifs des molécules et des cristaux. L'auto-assemblage colloïdal peut être étudié comme méthode de fabrication de nanostructures avec des implications techniques pour construire des composants électroniques à l'échelle nanométrique, la conversion ou le stockage d'énergie, l'administration de médicaments et de catalyseurs.
Le processus d'assemblage colloïdal peut être guidé sur un substrat à motifs ou via l'assemblage Langmuir-Blodgett, pour l'assemblage en fibres et cellules, et sous forme de signaux chimiques.
Dans ce travail, Mengmeng Sun et une équipe de scientifiques ont présenté une nouvelle approche pour obtenir la motilité 3D des collectifs colloïdaux sans dispersion. Le collectif colloïdal était constitué de particules colloïdales de fer ferrofluidiques d'un diamètre inférieur à 1 μm, entraînées par un champ magnétique rotatif adapté pour s'auto-assembler en un collectif dynamique et stable.
L’équipe s’est concentrée sur le flux convectif optique utilisant des courants fluides pour une dérive 3D, bioinspirée du plancton. Sun et l'équipe ont discuté des méthodes de transition des collectifs colloïdaux afin d'examiner leurs capacités de locomotion sur les surfaces de l'eau. Les résultats ont abouti à des collectifs colloïdaux dotés d'une mobilité 3D pour s'adapter à des environnements complexes dotés d'une intelligence physique pour la locomotion, l'auto-assemblage et la régulation.
Sun et l'équipe de recherche ont adopté une stratégie d'actionnement bimodale des champs magnétiques et optiques pour réaliser la locomotion 3D de collectifs colloïdaux.
Dans un premier temps, ils ont déclenché la formation de collectifs colloïdaux en incorporant un champ magnétique contenant trois paramètres réglables, notamment l’angle de tangage, la fréquence et la force. Au début, en l'absence de champ magnétique, les colloïdes ferrofluidiques présentaient un mouvement brownien après décantation.
Une fois alimentés par le champ magnétique rotatif adapté, ils se sont auto-assemblés pour former de petits collectifs primitifs connus sous le nom de collectifs colloïdaux hors équilibre qui ont continué à augmenter en taille et à fusionner avec les particules voisines pour contribuer à leur croissance ; les scientifiques l'ont confirmé en utilisant des simulations.
La morphologie du collectif colloïdal dépendait de la force et de la fréquence du champ magnétique appliqué, ce qui permettait au collectif de maintenir son intégrité, déclenchant la formation et le maintien de sa stabilité dynamique.
Gradient de température
Les particules colloïdales de ferrofluide dispersées absorbaient la lumière proche infrarouge pour la convertir en énergie thermique, donnant lieu à un gradient de température local. Le gradient de température a induit un flux convectif pour transporter les particules vers le haut et les rassembler en un collectif avec un effet photothermique accru. Cela a permis de maintenir une entité dynamiquement stable, sans se désintégrer.
En l'absence de champ optique proche infrarouge, le collectif colloïdal s'est refroidi avec une force hydrodynamique affaiblie pour couler progressivement sous l'effet de la gravité.
Ces échantillons ont donc ajusté le champ optique pour la convection et obtenu un mouvement horizontal vertical vers le haut, planant et directionnel. Comme la force hydrodynamique était supérieure à la gravité, la convection a poussé le collectif vers le haut verticalement, permettant au collectif colloïdal de planer sous l'eau. En régulant le champ optique, Sun et son équipe ont dirigé le mouvement du collectif colloïdal et ont ajusté leurs positions sous l'eau.
Les scientifiques ont étudié la capacité du collectif colloïdal à traverser la surface de l'eau en utilisant un flux de convection induit; pour indiquer comment les échantillons ont réussi à sortir de l'eau en surmontant la tension superficielle de l'eau.
Les collectifs colloïdaux ont surmonté la tension superficielle et la gravité pour des transitions bien régulées à travers la surface de l’eau afin de plonger dans l’eau à un endroit et à un moment souhaités. Les chercheurs ont analysé les constructions en utilisant la flottabilité, la force hydrodynamique due à la convection, la tension superficielle et la gravité.
Sun et son équipe ont exploré ces effets sur des collectifs de microrobots conventionnels afin d'introduire des interactions spatialement symétriques pour la locomotion sous l'eau et à la surface de l'eau. L’équipe a utilisé des champs magnétiques et optiques pour piloter le mouvement de ces collectifs de microrobots à la surface de l’eau, où ils ont escaladé le ménisque de l’eau pour être transportés par un champ optique. De tels instruments, connus sous le nom de marcheurs de surface, peuvent franchir des obstacles plus grands que leur propre taille et contourner des barrières élevées pour des applications dans les sciences de l'environnement, la médecine et l'ingénierie.
De cette manière, Mengmeng Sun et ses collègues ont été bio-inspirés par les mécanismes de migration du plancton pour propulser les collectifs colloïdaux à se déplacer dans un espace 3D sans frontières. L'équipe a combiné des champs magnétiques et optiques pour une locomotion 3D bien formée et régulée de collectifs colloïdaux actifs dans un environnement aquatique, avec les champs optiques et magnétiques combinés pour faciliter la locomotion 3D.
Ces sédiments et systèmes colloïdaux fournissent un processus puissant pour explorer la physique de l'auto-assemblage et développer une méthode pratique pour synthétiser des matériaux fonctionnels.
Les systèmes vivants peuvent former des collectifs colloïdaux auto-assemblés sous des champs magnétiques externes, pour créer des structures qui peuvent être guidées à travers des espaces et des interfaces, pour atteindre des géométries et des motifs inhabituels.
Sun et son équipe ont l'intention d'étudier ces collectifs et leur complexité pour la synthèse et la conception de matériaux. Ces constructions à double réponse peuvent fonctionner comme des collectifs de microrobots pour une adaptabilité environnementale avec des applications pratiques dans les biofluides à haute viscosité et de fortes concentrations ioniques avec de larges applications en génie biomédical.
Plus d'informations : Mengmeng Sun et al, Collectifs colloïdaux auto-assemblés bioinspirés dérivant en trois dimensions sous l'eau, Science Advances (2023). DOI :10.1126/sciadv.adj4201
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