Akoestische voortstuwing van nanomachines hangt af van hun oriëntatie

Microscopisch kleine nanomachines die zich als onderzeeërs met hun eigen voortstuwing voortbewegen, bijvoorbeeld in het menselijk lichaam, waar ze actieve stoffen vervoeren en ze op een doel afzetten: wat klinkt als sciencefiction is de afgelopen 20 jaar een steeds sneller groeiend onderzoeksveld. De meeste van de tot nu toe ontwikkelde deeltjes functioneren echter alleen in het laboratorium. De voortstuwing is bijvoorbeeld een hindernis. Sommige deeltjes moeten van energie worden voorzien in de vorm van licht, andere gebruiken chemische voortstuwing waarbij giftige stoffen vrijkomen. Geen van beide kan in aanmerking komen voor enige toepassing in het lichaam. Een oplossing voor het probleem zouden akoestisch voortgestuwde deeltjes kunnen zijn. Johannes Voß en Prof. Raphael Wittkowski van het Instituut voor Theoretische Fysica en het Centrum voor Zachte Nanowetenschappen van de Universiteit van Münster (Duitsland) hebben nu antwoorden gevonden op centrale vragen die voorheen de toepassing van akoestische voortstuwing in de weg stonden. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Reizende ultrasone golven zijn geschikt voor voortstuwing

Echografie wordt gebruikt in akoestisch aangedreven nanomachines omdat het vrij veilig is voor toepassingen in het lichaam. Hoofdauteur Johannes Voß vat het uitgevoerde onderzoek als volgt samen: “Er zijn veel publicaties waarin experimenten worden beschreven. De deeltjes in deze experimenten werden echter bijna altijd blootgesteld aan een staande ultrasone golf. Dit maakt de experimenten weliswaar aanzienlijk eenvoudiger, maar tegelijkertijd maakt het de resultaten minder betekenisvol voor mogelijke toepassingen – omdat in dat geval reizende ultrasone golven zouden worden gebruikt.” Dit komt door het feit dat staande golven worden geproduceerd wanneer golven die in tegengestelde richtingen elkaar overlappen.

Waar onderzoekers ook eerder geen rekening mee hielden, is dat de deeltjes in toepassingen alle kanten op kunnen bewegen. Dus lieten ze de vraag buiten beschouwing of voortstuwing afhangt van de oriëntatie van de deeltjes. In plaats daarvan keken ze alleen naar deeltjes die loodrecht op de ultrasone golf stonden. Nu heeft het team van onderzoekers in Münster voor het eerst de effecten van oriëntatie bestudeerd met behulp van uitgebreide computersimulaties.

Ze kwamen tot de conclusie dat de voortstuwing van de nanodeeltjes afhangt van hun oriëntatie. Tegelijkertijd functioneert het akoestische voortstuwingsmechanisme in reizende ultrasone golven zo goed voor alle oriëntaties van de deeltjes – dus niet alleen precies loodrecht op de ultrasone golf – dat deze deeltjes echt kunnen worden gebruikt voor biomedische toepassingen. Een ander aspect dat de natuurkundigen van Münster onderzochten, was de voortstuwing die de deeltjes vertoonden wanneer ze werden blootgesteld aan ultrageluid dat uit alle richtingen kwam (dwz “isotroop ultrageluid”).

Een basis voor de stap naar toepassing

“Onze resultaten lieten zien hoe de deeltjes zich zullen gedragen in toepassingen en dat de voortstuwing de juiste eigenschappen heeft om de deeltjes daadwerkelijk in deze toepassingen te gebruiken”, besluit Johannes Voß. Raphael Wittkowski voegt hieraan toe: “We hebben belangrijke eigenschappen van akoestisch voortgestuwde nanodeeltjes onthuld die nog niet eerder waren bestudeerd, maar die moeten worden begrepen om de stap te kunnen maken van fundamenteel onderzoek naar de geplande toepassingen waarbij de deeltjes betrokken zijn.”

De twee Münster-onderzoekers onderzochten conische deeltjes, omdat ze zelfs bij een lage intensiteit van ultrageluid snel kunnen bewegen – dwz ze hebben een efficiënte voortstuwing – en ze kunnen ook gemakkelijk in grote aantallen worden geproduceerd. De deeltjes zijn bijna een micrometer groot, bijna duizend nanometer. Ter vergelijking: een rode bloedcel heeft een diameter van ongeveer 7,7 micrometer. Dit betekent dat de nanodeeltjes door de bloedbaan kunnen bewegen zonder de fijnste bloedvaten te verstoppen. “De deeltjesgrootte kan worden gekozen in overeenstemming met wat nodig is voor de specifieke beoogde toepassing, en het voortstuwingsmechanisme werkt ook in het geval van kleinere en grotere deeltjes”, legt Johannes Voß uit. “We hebben de deeltjes in water gesimuleerd, maar de voortstuwing is ook geschikt voor andere vloeistoffen en voor weefsel.”

Door middel van computersimulaties onderzocht het team systemen en hun eigenschappen die in de vele voorgaande experimenten niet konden worden bestudeerd. Kijkend naar de toekomst, zegt Raphael Wittkowski: “Een belangrijke stap zou zijn dat experimenteel onderzoek overgaat op het kijken naar deze systemen.”