Un nuevo estudio del laboratorio de Thomas Mallouk muestra cómo los "cohetes" a microescala, impulsados por ondas acústicas y un motor de burbuja a bordo, pueden ser conducidos a través de paisajes 3D de células y partículas usando imanes. La investigación fue una colaboración entre investigadores de Penny la Universidad de San Diego, el Instituto de Tecnología de Harbin en Shenzhen y la Universidad Estatal de Pensilvania, donde el estudio se realizó inicialmente y se publicó en Avances científicos .
La historia de origen de los pequeños cohetes comenzó con una pregunta científica fundamental: ¿podrían los científicos diseñar recipientes de nano y microescala que utilicen productos químicos como combustible para viajar a través del cuerpo humano? Quince años de investigación de Mallouk y otros mostraron que la respuesta breve fue"Sí", pero los investigadores enfrentaron barreras significativas para usar estos recipientes en aplicaciones biomédicas porque los químicos que usaban como combustible, como el peróxido de hidrógeno, eran tóxicos.
Un descubrimiento "accidental" llevó a Mallouk y su grupo a centrarse en el uso de un tipo de combustible completamente diferente: las ondas de sonido. Mientras intentaban mover sus cohetes con levitación acústica, un proceso utilizado para levantar partículas de un portaobjetos de microscopio con altaondas de sonido de frecuencia, el grupo se sorprendió al descubrir que el ultrasonido hizo que los robots se movieran a velocidades muy rápidas. Mallouk y su equipo decidieron investigar este fenómeno más a fondo para ver si podían usar ondas de sonido de alta frecuencia para alimentar sus pequeños vasos.
El último artículo del grupo detalla el diseño de los cohetes de microescala, que se asemejan a una copa de fondo redondo de 10 micras de largo y 5 micras de ancho, o aproximadamente del tamaño de una partícula de polvo. Las copas redondeadas se imprimen en 3D con litografía láser y contienenuna capa externa de oro y capas internas de níquel y un polímero. El tratamiento con una sustancia química hidrófoba después de que el oro es fundido hace que se forme una burbuja de aire y quede atrapada dentro de la cavidad del cohete.
En presencia de ondas de ultrasonido, la burbuja dentro del cohete se excita por la oscilación de alta frecuencia en la interfaz agua-aire, que convierte la burbuja en un motor a bordo. El cohete se puede dirigir utilizando un campo magnético externo.El cohete individual tiene su propia frecuencia de resonancia, lo que significa que cada miembro de una flota puede ser conducido independientemente de los demás. Los pequeños cohetes también son increíblemente expertos, capaces de subir escaleras microscópicas y nadar libremente en tres dimensiones con la ayuda de aletas especiales.
Una de las características más singulares del cohete es su capacidad para mover otras partículas y células con gran precisión, incluso en entornos abarrotados. Los recipientes robóticos pueden empujar las partículas en la dirección deseada o utilizar un enfoque de "haz de tractor" para tirar objetos conuna fuerza atractiva. Mallouk dice que la capacidad de empujar objetos sin perturbar el medio ambiente "no estaba disponible a mayor escala", y agregó que el enfoque del haz del tractor utilizado por embarcaciones de mayor tamaño no es tan bueno en movimientos precisos.mucho control que puedes hacer a esta escala de longitud ", agrega.
En este tamaño particular, los cohetes son lo suficientemente grandes como para no verse afectados por el movimiento browniano, los movimientos aleatorios y erráticos experimentados por las partículas en el rango de tamaño nanométrico, pero son lo suficientemente pequeños como para mover objetos sin alterar el entorno que los rodea ".En esta escala de longitud particular, estamos justo en el punto de cruce entre cuando el poder es suficiente para afectar a otras partículas ", dice Mallouk.
Al aumentar o disminuir la cantidad de "combustible" acústico que los investigadores proporcionan a los cohetes, también pueden controlar la velocidad de los pequeños vasos. "Si quiero que vaya más lento, puedo bajar la potencia, y si quieropara ir muy rápido, puedo encenderlo ", explica Jeff McNeill, un estudiante graduado que trabaja en proyectos de motores de nano y microescala." Esa es una herramienta realmente útil ".
Mallouk y su laboratorio ya están explorando una serie de posibles áreas de investigación adicional, incluidas las formas de activar los cohetes con luz, y fabricar cohetes aún más pequeños que serían más rápidos y más fuertes para su tamaño. Futuras colaboraciones con ingenieros y robotistas en Penn, incluidos Dan Hammer, Marc Miskin, Vijay Kumar, James Pikul y Kathleen Stebe, podrían ayudar a que los cohetes sean "inteligentes" al permitirles equipar los recipientes con chips de computadora y sensores para darles autonomía e inteligencia.
Como el grupo considera el amplio potencial médico del micro-cohete, desde imágenes médicas hasta nano-robótica, Mallouk dice: "Nos gustaría tener robots controlables que puedan realizar tareas dentro del cuerpo: administrar medicamentos, arterias de enraizamiento del rotor, espionaje de diagnóstico."
Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation Grant DMR-1420620, que financia el Penn State Center for Nanoscale Science, un Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales que apoya la investigación colaborativa e interdisciplinaria en el área de materiales a nanoescala.
Thomas Mallouk es profesor de Vagelos en investigación energética en el Departamento de Química de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Pensilvania.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Original escrito por Erica K Brockmeier. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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