Team ontwikkelt vormveranderende colloïdale assemblage voor gerichte vrachtaflevering op microschaal

In de natuur is het gebruikelijk om structuren te vinden die zowel zacht als hard materiaal combineren. Deze structuren zijn verantwoordelijk voor diverse mechanische eigenschappen en functies van biologische systemen. Een typisch voorbeeld: de menselijke wervelkolom heeft afwisselende stapelingen van harde botten en zachte tussenwervelschijven, wat een essentiële architectuur is die het menselijk lichaam ondersteunt en tegelijkertijd de lichaamsflexibiliteit behoudt.

Het nabootsen van de zacht-harde structuur in de natuur kan in principe inspirerend zijn voor het ontwerp van kunstmatige materialen en apparaten, zoals actuatoren en robots. De realisatie van deze structuren is echter buitengewoon uitdagend geweest, vooral op microschaal, waar materiële integratie en manipulatie buitengewoon minder praktisch worden.

Met als doel biomimetische materialen op microschaal te ontwikkelen, heeft het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Yufeng Wang van de afdeling Chemie van de Universiteit van Hong Kong (HKU) een nieuwe methode ontwikkeld om superstructuren op microschaal te creëren, genaamd MicroSpine, die zowel zachte als harde materialen die de ruggengraatstructuur nabootsen en kunnen fungeren als microactuators met vormveranderende eigenschappen. Deze doorbraak, gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangwerd bereikt door colloïdale assemblage, een eenvoudig proces waarbij nano- en microdeeltjes zich spontaan organiseren in geordende ruimtelijke patronen.

Veel biologische organismen, variërend van zoogdieren tot geleedpotigen en micro-organismen, bevatten structuren van synergetisch geïntegreerde zachte en harde componenten. Deze structuren bestaan ​​in verschillende lengtes, van micrometers tot centimeters, en zijn verantwoordelijk voor de karakteristieke mechanische functies van biologische systemen. Ze hebben ook de creatie van kunstmatige materialen en apparaten gestimuleerd, zoals actuatoren en robots, die van vorm veranderen, bewegen of worden geactiveerd op basis van externe signalen.

Hoewel zacht-harde structuren gemakkelijk te fabriceren zijn op macroschaal (millimeter en hoger), zijn ze veel moeilijker te realiseren op microschaal (micrometer en lager). Dit komt omdat het steeds uitdagender wordt om mechanisch verschillende componenten op kleinere schaal te integreren en te manipuleren. Traditionele fabricagemethoden, zoals lithografie, hebben te maken met verschillende beperkingen wanneer wordt geprobeerd kleinschalige componenten te maken met behulp van top-downstrategieën. Er kan bijvoorbeeld een lage opbrengst ontstaan ​​omdat kleinschalige productieprocessen complexer zijn en een grotere precisie vereisen, wat het risico op defecten en fouten in het eindproduct kan vergroten.

Om de uitdaging aan te gaan, kozen Dr. Wang en zijn team voor een andere aanpak, genaamd colloïdale assemblage. Colloïden zijn kleine deeltjes van 1/100 van de grootte van mensenhaar en kunnen van verschillende materialen zijn gemaakt. Als ze op de juiste manier zijn ontworpen, kunnen de deeltjes met elkaar interageren en spontaan samenkomen tot geordende superstructuren.

Als bottom-up methode is colloïdale assemblage voordelig voor het maken van structuren op microschaal, omdat het nauwkeurige controle mogelijk maakt over het creëren van de gewenste structuren uit verschillende bouwstenen, met een hogere opbrengst. De moeilijkheid is echter hoe de deeltjes moeten worden geleid om zich te assembleren tot de gewenste zacht-harde structuur.

Door de ruggengraat als basis voor het ontwerp te gebruiken, heeft het team nieuwe deeltjes uitgevonden die zijn afgeleid van metaal-organische raamwerken (MOF’s), een opkomend materiaal dat kan worden geassembleerd met hoge directionaliteit en specificiteit. Omdat ze ook de harde component zijn, kunnen deze MOF-deeltjes worden gecombineerd met zachte vloeistofdruppeltjes om lineaire ketens te vormen. De harde en zachte componenten nemen afwisselende posities in de ketting in en bootsen de ruggengraatstructuur na, dat wil zeggen de MicroSpine.

“We introduceren ook een mechanisme waarmee de zachte component van de ketting kan uitzetten en krimpen wanneer MicroSpine wordt verwarmd of gekoeld, zodat het omkeerbaar van vorm kan veranderen”, legt Dengping Lyu, de eerste auteur van het artikel, uit, evenals de Ph. D. Kandidaat bij de afdeling Scheikunde aan de HKU.

Met behulp van het MicroSpine-systeem demonstreerde het team ook verschillende nauwkeurige bedieningsmodi wanneer de zachte delen van de ketting selectief worden aangepast. Bovendien zijn de kettingen gebruikt voor het inkapselen en vrijgeven van gastvoorwerpen, uitsluitend gecontroleerd door temperatuur.

De realisatie van deze functies is belangrijk voor de toekomstige ontwikkeling van het systeem, omdat het zou kunnen leiden tot de creatie van intelligente microrobots die in staat zijn om geavanceerde taken op microschaal uit te voeren, zoals medicijnafgifte, gelokaliseerde detectie en andere toepassingen. De zeer uniforme en nauwkeurig gestructureerde componenten op microschaal kunnen worden gebruikt om effectievere systemen voor medicijnafgifte of sensoren te creëren die specifieke moleculen met hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid kunnen detecteren.

Het onderzoeksteam is van mening dat deze technologie een belangrijke stap is in de richting van het creëren van complexe apparaten en machines op microschaal. Volgens Dr. Wang: “Als je denkt aan moderne machines, zoals auto’s, dan worden ze geassembleerd door tienduizenden verschillende onderdelen. We streven ernaar hetzelfde niveau van complexiteit te bereiken door verschillende colloïdale onderdelen te gebruiken.” Door zich te laten inspireren door de natuur, hoopt het onderzoeksteam meer biomimetische systemen te ontwerpen die complexe taken op microschaal en daarbuiten kunnen uitvoeren.