Elektrische velden sturen nanodeeltjes door een met vloeistof gevuld doolhof en zorgen voor een betere afgifte en zuivering van medicijnen

Thuis, in het laboratorium en in de fabriek, elektrische velden controletechnologieën zoals Kindle-displays, medische diagnostische tests en apparaten die kankermedicijnen zuiveren. In een elektrisch veld ervaart alles met een elektrische lading – van een individueel atoom tot een groot deeltje – een kracht die kan worden gebruikt om het in de gewenste richting te duwen.

Wanneer een elektrisch veld geladen deeltjes in een vloeistof duwt, ontstaat er een proces heet elektroforese. Ons onderzoeksteam onderzoekt hoe gebruik maken van elektroforese om kleine deeltjes te verplaatsen – genoemd nanodeeltjes-in poreuze, sponsachtige materialen. Veel opkomende technologieën, waaronder die welke worden gebruikt bij DNA-analyse en medische diagnostiek, maken gebruik van deze poreuze materialen.

Uitzoeken hoe we de kleine geladen deeltjes kunnen controleren terwijl ze door deze omgevingen reizen, kan ze sneller en efficiënter maken in bestaande technologieën. Het kan ook geheel nieuw inschakelen slimme functies.

Uiteindelijk streven wetenschappers ernaar om dit soort deeltjes als deze te laten dienen kleine nanorobots. Deze kunnen complexe taken uitvoeren in ons lichaam of onze omgeving. Ze zouden kunnen zoeken tumoren en behandelingen aanbieden of bronnen opzoeken giftige chemicaliën in de bodem en zet ze om in goedaardige verbindingen.

Om deze vooruitgang te boeken, moeten we begrijpen hoe geladen nanodeeltjes zich onder invloed van een elektrisch veld door poreuze, sponsachtige materialen verplaatsen. In een nieuwe studiegepubliceerd op 10 november 2025, in de Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen, ons team van technische onderzoekers onder leiding van Anni Shi en Siamak Mirfendereski probeerden precies dat te doen.

Zwakke en sterke elektrische velden

Stel je een nanodeeltje voor als een kleine onderzeeër die door een complex, onderling verbonden, met vloeistof gevuld doolhof terwijl je tegelijkertijd willekeurige wiebelbewegingen ervaart. Terwijl we nanodeeltjes door poreus materiaal zien bewegen, verrassend gedrag waargenomen gerelateerd aan de sterkte van het aangelegde elektrische veld.

Een zwak elektrisch veld fungeert alleen als een versneller, waardoor de snelheid van het deeltje wordt verhoogd en de kans op het vinden van een uitgang uit een holte dramatisch wordt vergroot, maar het biedt geen richtinggevende begeleiding: het is snel, maar willekeurig.

Daarentegen zorgt een sterk elektrisch veld voor de noodzakelijke ‘GPS-coördinaten’, waardoor het deeltje gedwongen wordt snel in een specifieke, voorspelbare richting over het netwerk te bewegen.

Deze ontdekking was raadselachtig maar opwindend, omdat het suggereerde dat we de beweging van de nanodeeltjes konden controleren. We zouden ervoor kunnen kiezen om ze snel en willekeurig te laten bewegen met een zwak veld of directioneel met een sterk veld.

Met de eerste kunnen ze efficiënt de omgeving doorzoeken, terwijl de laatste ideaal is voor het afleveren van vracht. Dit raadselachtige gedrag bracht ons ertoe nader te kijken naar wat het zwakke veld met de omringende vloeistof deed.

Door het fenomeen nader te bestuderen, ontdekten we de redenen voor dit gedrag. Een zwak veld zorgt ervoor dat de stilstaande vloeistof in willekeurige wervelende bewegingen door de kleine holtes van het materiaal stroomt. Deze willekeurige stroom versterkt het natuurlijke wiebelen van een deeltje en duwt het naar de wanden van de holte. Door langs muren te bewegen vergroot het deeltje de kans op het vinden van een willekeurige ontsnappingsroute drastisch, vergeleken met het zoeken door de hele holte.

Een sterk veld geeft het deeltje echter een krachtige richtingsduw. Die duw overwint het natuurlijke wiebelen van het deeltje en de willekeurige stroom van de omringende vloeistof. Het zorgt ervoor dat het deeltje voorspelbaar mee migreert de richting van het elektrische veld. Dit inzicht opent de deur voor nieuwe, efficiënte strategieën om deeltjes te verplaatsen, sorteren en scheiden.

Nanodeeltjes volgen

Om dit onderzoek uit te voeren, wij integreerden laboratoriumobservatie met computationele modellering. Experimenteel hebben we een geavanceerde microscoop gebruikt om nauwgezet bij te houden hoe individuele nanodeeltjes zich in een perfect gestructureerd poreus materiaal bewegen, een zogenaamde silica inverse opaal.

Vervolgens hebben we computersimulaties gebruikt om de onderliggende fysica te modelleren. We modelleerden de willekeurige wiebelende beweging van het deeltje, de elektrische aandrijfkracht en de vloeistofstroom nabij de wanden.

Door deze precieze visualisatie te combineren met theoretische modellering, hebben we het algehele gedrag van de nanodeeltjes gedeconstrueerd. We zouden het effect van elk afzonderlijk fysiek proces kunnen kwantificeren, van het schudden tot de elektrische duw.

Apparaten die deeltjes verplaatsen

Dit onderzoek zou grote implicaties kunnen hebben voor technologieën die nauwkeurig microscopisch transport vereisen. Hierbij is het doel een snelle, nauwkeurige en differentiële deeltjesbeweging. Voorbeelden zijn onder meer de medicijnafgifte, waarvoor begeleiding nodig is “nanocargo” naar specifieke weefseldoelenof industriële scheiding, wat met zich meebrengt zuiverende chemicaliën en het filteren van verontreinigingen.

Onze ontdekking – het vermogen om de snelheid van een deeltje afzonderlijk te regelen met behulp van zwakke velden en de richting ervan met behulp van sterke velden – fungeert als een controlemiddel met twee hendels.

Deze controle kan ingenieurs in staat stellen apparaten te ontwerpen die zwakke of sterke velden toepassen om verschillende deeltjestypen op maat gemaakte manieren te verplaatsen. Uiteindelijk zou dit hulpmiddel snellere en efficiëntere diagnostische hulpmiddelen en zuiveringssystemen kunnen verbeteren.

Wat is het volgende

We hebben onafhankelijke controle ingesteld over het zoeken van de deeltjes met behulp van snelheid en hun migratie met behulp van richting. Maar we kennen nog steeds niet de volledige grenzen van het fenomeen.

De belangrijkste vragen blijven: wat zijn de bovenste en onderste deeltjesgroottes die op deze manier kunnen worden gecontroleerd? Kan deze methode betrouwbaar worden toegepast in complexe, dynamische biologische omgevingen?

Het meest fundamentele is dat we het exacte mechanisme achter de dramatische versnelling van deze deeltjes onder een zwak elektrisch veld moeten onderzoeken. Het beantwoorden van deze vragen is essentieel om de volledige precisie van deze deeltjescontrolemethode te ontsluiten.

Ons werk maakt deel uit van een grotere wetenschappelijke poging om te begrijpen hoe opsluiting en grenzen de beweging van objecten op nanoschaal beïnvloeden. Naarmate de technologie kleiner wordt, zal het begrijpen van de interactie van deze deeltjes met nabijgelegen oppervlakken helpen bij het ontwerpen van efficiënte, kleine apparaten. En wanneer ze zich door sponsachtige, poreuze materialen bewegen, komen nanodeeltjes voortdurend oppervlakken en grenzen tegen.

Het collectieve doel van onze en die van anderen gerelateerd onderzoek is om de controle over kleine deeltjes te transformeren van een proces van vallen en opstaan ​​in een betrouwbare, voorspelbare wetenschap.