Controle vergroten: de vorm van de propeller helpt nanodeeltjes te sturen, zeggen onderzoekers

Zelfrijdende nanodeeltjes zouden mogelijk de medicijnafgifte en lab-op-een-chip-systemen kunnen bevorderen, maar ze zijn gevoelig voor willekeurige, richtingloze bewegingen. Nu heeft een internationaal team van onderzoekers een aanpak ontwikkeld om de synthetische deeltjes in toom te houden.

Onder leiding van Igor Aronson, de Dorothy Foehr Huck en J. Lloyd Huck voorzitter hoogleraar biomedische technologie, scheikunde en wiskunde aan Penn State, heeft het team de nanodeeltjes opnieuw ontworpen in de vorm van een propeller om hun bewegingen beter te controleren en hun functionaliteit te vergroten. Zij gepubliceerd hun resultaten in het tijdschrift Klein.

Vanwege fabricageproblemen is de vorm van nanodeeltjes voorheen beperkt tot staafjes en donuts, aldus Ashlee McGovern, promovendus in de scheikunde aan Penn State en eerste auteur van het papier. Met een nanoscribe-machine die op nanoschaal in 3D kan printen in het Materials Research Institute van Penn State, experimenteerde McGovern met het optimaliseren van de vorm van nanodeeltjes. Ze heeft de vorm van de deeltjes opnieuw ontworpen tot een propeller, die efficiënt kan ronddraaien wanneer deze wordt geactiveerd door een chemische reactie of een magnetisch veld.

De propellervorm maakt gebruik van chiraliteit, vergelijkbaar met een schroef- of wenteltrap, waarbij het bovenvlak wordt gespiegeld door het ondervlak.

“Vorm bepaalt vooraf hoe een deeltje gaat bewegen”, zei McGovern. “Chiraliteit, of handigheid, als ontwerpkenmerk is niet voldoende benut in het onderzoek naar nanodeeltjes en is een manier om de deeltjes op steeds complexere manieren te laten bewegen.”

Door de chirale vorm kunnen de deeltjes in een voorgeschreven richting bewegen en, afhankelijk van de kanteling van de bladen, met de klok mee of tegen de klok in draaien, aangewakkerd door een chemische reactie tussen de metalen in de nanodeeltjes en waterstofperoxide.

Na te hebben geëxperimenteerd met verschillende aantallen en hoeken van vinnen, evenals met verschillende diktes, ontdekten onderzoekers dat het gebruik van vier of meer vinnen onder een hoek van 20 graden en een dikte van 3,3 micron de grootste mate van stabiliteit mogelijk maakte. Met drie of minder vinnen vertonen de propellers ongecontroleerde bewegingen.

Door de toegenomen controle konden onderzoekers de deeltjes manipuleren om polymeerladingdeeltjes op te vangen en te transporteren.

“Met behulp van een magnetisch veld kunnen we de micropropellers sturen om vrachtdeeltjes op te sporen en te verzamelen,” zei McGovern. “De staaf- en donutvormige nanodeeltjes van ons laboratorium zouden per ongeluk vracht oppikken, maar niet op een gecontroleerde manier.”

Om de bewegingen van de deeltjes verder te controleren, manipuleerden onderzoekers de rotatierichting van de micropropellers.

“Met de ingebouwde stromingen die de deeltjes creëren, kunnen we de deeltjes-tot-deeltjes-interacties tussen de twee propellers controleren”, aldus McGovern. “Door de draairichting te veranderen van linksom naar rechtsom en omgekeerd kunnen twee propellers elkaar aantrekken of afstoten.”

Aronson, hoofd van het Active Biomaterials Lab waarin McGovern werkt, benadrukte het toekomstige bereik van dit onderzoek.

“Met behulp van op maat gemaakte mechanische, magnetische en chemische reacties kunnen we meer controle dan ooit tevoren uitoefenen op deze nanodeeltjes”, aldus Aronson. “In de toekomst kunnen we deze controle gebruiken om deze technologie toe te passen op ontwerpconcepten voor microschaalapparaten of microrobotica.”