Nanobots rápidos podrían algún día duchar el suelo y el agua y cuidar medicamentos

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Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder han descubierto que las partículas diminutas autopropulsadas llamadas “nanosnadores” pueden escapar de los laberintos hasta 20 veces más rápido que otras partículas pasivas, allanando el camino para su uso en todo, desde la limpieza industrial hasta la administración de medicamentos.

Los resultados, publicados esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, describen cómo estos diminutos nanorobots sintéticos son increíblemente efectivos para escapar de cavidades dentro de entornos laberínticos. Estos nano-nadadores algún día podrían usarse para limpiar el suelo contaminado, mejorar la filtración del agua o incluso administrar medicamentos a áreas específicas del cuerpo, como dentro de los tejidos densos.

“Este es el descubrimiento de un fenómeno completamente nuevo que apunta a una amplia gama potencial de aplicaciones”, dijo Daniel Schwartz, autor principal del artículo y profesor de ingeniería química y biológica de Glenn L. Murphy.

Estos nano nadadores llamaron la atención de la comunidad de la física teórica hace unos 20 años, y la gente imaginó una amplia gama de aplicaciones en el mundo real, según Schwartz. Pero, lamentablemente, estas aplicaciones tangibles aún no se han realizado, en parte porque ha sido bastante difícil observar y modelar su movimiento en entornos relevantes, hasta ahora.

Estos nano-rotadores, también llamados partículas de Jano (nombrados en honor a un dios romano de dos cabezas), son diminutas partículas esféricas compuestas de polímero o sílice, diseñadas con diferentes propiedades químicas en cada lado de la esfera. Un hemisferio favorece la ocurrencia de reacciones químicas, pero no el otro. Esto crea un campo químico que permite que la partícula tome energía del medio ambiente y la convierta en movimiento direccional, también conocido como autopropulsión.

“En biología y organismos vivos, la propulsión celular es el mecanismo dominante que causa el movimiento, sin embargo, en aplicaciones de ingeniería, rara vez se usa. Nuestro trabajo sugiere que hay mucho que podemos hacer con la autopropulsión”, dijo. Schwartz.

Por el contrario, las partículas pasivas que se mueven al azar (un tipo de movimiento conocido como movimiento browniano) se conocen como partículas brownianas. Llevan el nombre del científico del siglo XIX Robert Brown, que estudió cosas como el movimiento aleatorio de los granos de polen suspendidos en el agua.

Los investigadores convirtieron estas partículas brownianas pasivas en partículas de Janus (nano-rotadores) para esta investigación. Luego, hicieron que estos nano-rotadores autopropulsados ​​intentaran moverse a través de un laberinto, hecho de un medio poroso, y compararon la eficiencia y efectividad con las que encontraron rutas de escape en comparación con las partículas brownianas pasivas.

Los resultados fueron impactantes, incluso para los investigadores.

Las partículas de Janus fueron increíblemente efectivas para romper las cavidades dentro del laberinto, hasta 20 veces más rápido que las partículas brownianas, porque se movieron estratégicamente a lo largo de las paredes de la cavidad en busca de agujeros, lo que les permitió encontrar las salidas muy rápidamente. Su autopropulsión también parecía darles un impulso de energía necesario para atravesar los orificios de salida dentro del laberinto.

“Sabemos que tenemos muchas aplicaciones para nanorobots, especialmente en ambientes muy confinados, pero realmente no sabíamos cómo se mueven y cuáles son las ventajas sobre las partículas brownianas tradicionales. Es por eso que comenzamos una comparación entre estos dos”, dijo Haichao Wu. .autor principal del artículo y estudiante de posgrado en ingeniería química y biológica. “Y descubrimos que los nano nadadores pueden utilizar una forma completamente diferente de buscar en estos entornos laberínticos”.

Aunque estas partículas son increíblemente pequeñas, alrededor de 250 nanómetros, apenas más grandes que un cabello humano (160 nanómetros) pero aún mucho, mucho más pequeñas que la cabeza de un alfiler (1-2 milímetros), el trabajo es escalable. Esto significa que estas partículas podrían navegar e impregnar espacios microscópicos como los tejidos humanos para transportar mercancías y entregar drogas, así como a través del suelo subterráneo o playas arenosas para eliminar contaminantes no deseados.

Nanoorres enjambre

El siguiente paso en esta línea de investigación es comprender cómo se comportan los nano-rotores en grupos dentro de ambientes confinados o en combinación con partículas pasivas.

“En ambientes abiertos, se sabe que los nano nadadores exhiben un comportamiento emergente, un comportamiento que es más que la suma de sus partes, que imita el movimiento de enjambres de bandadas de aves o bancos de peces”, dijo Schwartz.

Uno de los principales obstáculos para lograr este objetivo es la dificultad de poder observar y comprender el movimiento 3D de estas diminutas partículas en lo profundo de un material compuesto por complejos espacios interconectados.

Wu superó este obstáculo utilizando un líquido de índice de refracción en el medio poroso, que es un líquido que afecta la velocidad a la que la luz viaja a través de un material. Esto hizo que el laberinto fuera esencialmente invisible, lo que permitió la observación del movimiento de partículas en 3D utilizando una técnica conocida como microscopía de difusión de punto de doble hélice.

Esto permitió a Wu rastrear las trayectorias tridimensionales de las partículas y crear representaciones visuales, un gran avance con respecto al modelado 2D típico de nanopartículas. Sin este avance, no sería posible comprender mejor el movimiento y el comportamiento de individuos o grupos de nano nadadores.

“Este documento es el primer paso: proporciona un sistema modelo y una plataforma de imágenes que nos permite responder a estas preguntas”, dijo Wu. “El siguiente paso es utilizar este modelo con una población mayor de nano-rotores para estudiar cómo pueden interactuar entre sí en un entorno confinado”.

Benjamin Greydanus del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de CU Boulder es coautor de esta publicación.

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