Vous voulez de minuscules particules qui peuvent se déplacer dans des endroits étroits ? Rencontrez les nanonageurs

Les chercheurs ont peut-être trouvé une solution nanométrique à tout, du nettoyage du sol à l’amélioration de la filtration de l’eau, en passant même par l’administration de médicaments à l’intérieur du corps humain.

Une équipe de l’Université du Colorado Boulder a découvert que de minuscules particules autopropulsées appelées « nanonageurs » peuvent se déplacer très rapidement à travers et s’échapper des labyrinthes de matériaux, démontrant ainsi le potentiel de naviguer rapidement dans les matériaux poreux.

Les matériaux poreux ressemblant à des éponges sont largement utilisés dans de nombreuses technologies car ils peuvent avoir une quantité extraordinaire de surface interne ; cela les rend utiles comme catalyseurs de réactions chimiques, filtres pour éliminer les contaminants et à de nombreuses autres fins, a déclaré Daniel Schwartz, professeur de génie chimique et biologique à CU Boulder. Nouvelles de conception.

De même, les espaces poreux interconnectés complexes sont importants dans les environnements géologiques tels que les sols et au sein des tissus biologiques, a-t-il déclaré. Cependant, un défi pour ces matériaux est que « le mouvement à travers ces espaces vides poreux est extrêmement inefficace car les molécules et les nanoparticules doivent essentiellement trouver leur chemin dans les environnements complexes de type labyrinthe », nous a dit Schwartz.

Les chercheurs pensent depuis longtemps que les nanonageurs pourraient être capables de naviguer facilement dans ces labyrinthes ; Cependant, il a été difficile d’observer et de modéliser leur mouvement dans des environnements pertinents, a-t-il déclaré.

Jusqu’à présent, c’est. Schwartz et son équipe ont pu observer des nanonageurs, en l’occurrence des particules de Janus, en développant une plate-forme d’imagerie et de modélisation pour ce faire. Et ce qu’ils ont découvert sur leur mouvement a de larges ramifications, a-t-il déclaré.

« Comme le dieu romain à deux têtes dont elles portent le nom, ces particules ont deux faces distinctes – l’une est inerte et l’autre provoque une réaction chimique en présence d’un carburant (le peroxyde d’hydrogène dans ce cas) », Schwartz dis-nous. « Cette réaction chimique fait avancer la particule. »

Création de la plate-forme

Haichao Wu, un étudiant diplômé en génie chimique et biologique travaillant avec Schwartz, a créé la plate-forme d’observation des nanonageurs.

Pour ce faire, Wu a utilisé un liquide à indice de réfraction – ou un liquide qui affecte la vitesse à laquelle la lumière traverse un matériau – dans le milieu poreux. Cela a rendu le labyrinthe essentiellement invisible tout en permettant l’observation du mouvement d’un article en 3D à l’aide d’une technique connue sous le nom de microscopie à fonction d’étalement de point à double hélice, ont déclaré les chercheurs.

De cette façon, Wu pourrait suivre les trajectoires 3D des particules et en créer des représentations visuelles, un grand pas en avant pour la modélisation de ces particules, ont déclaré les chercheurs. Cette modélisation est essentielle à la capacité de l’équipe à suivre et à observer le mouvement des particules de Janus.

Dans leur travail, les chercheurs ont fait essayer aux nanonageurs automoteurs de se déplacer dans un labyrinthe constitué d’un milieu poreux, et ont comparé l’efficacité avec laquelle ils ont trouvé des voies d’évacuation par rapport à d’autres nanoparticules passives appelées particules browniennes.

Ce qu’ils ont découvert, c’est que les particules Janus étaient beaucoup plus efficaces pour s’échapper des cavités dans le labyrinthe, jusqu’à 20 fois plus rapidement que les particules browniennes. Leur succès est venu de la façon dont ils se sont déplacés stratégiquement le long des murs de la cavité à la recherche de trous, ce qui leur a permis de trouver les sorties très rapidement. Leur autopropulsion semblait également leur donner un regain d’énergie nécessaire pour traverser les trous de sortie dans le labyrinthe.

Composition du matériau

Les particules Janus utilisées dans la recherche étaient composées de polystyrène avec un hémisphère recouvert de platine, nous a dit Schwartz. Le revêtement en platine catalyse la réaction qui permet le mouvement vers l’avant, a-t-il déclaré.

« Pour la particule elle-même, le polystyrène était un choix pratique, car la particule était facilement rendue fluorescente, ce qui nous a permis de suivre les particules en utilisant la microscopie à fluorescence », a expliqué Schwartz. « Cependant, à long terme, les particules peuvent être constituées de nombreux matériaux différents, par exemple, la silice sera un autre choix évident. »

Un autre aspect clé de la conception des particules de Janus observées était leur taille, a-t-il déclaré.

« Dans nos expériences, nous avons utilisé des particules de 250 nm de diamètre, ce qui leur a permis de se déplacer à travers de très petites ouvertures », a déclaré Schwartz. Nouvelles de conception. « Il est intéressant de noter qu’en raison de leur très petite taille, ces particules ont tendance à tomber rapidement lorsqu’elles sont propulsées vers l’avant, ce qui s’est avéré être une caractéristique importante. »

Les chercheurs ont publié un article sur leurs travaux dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.

Applications et recherches futures

Les applications potentielles de ces travaux comprennent « l’assainissement de l’environnement, la régénération in situ de composants industriels (par exemple, des catalyseurs et des filtres) et éventuellement la délivrance de produits thérapeutiques in vivo », nous a dit Schwartz.

« Toutes ces applications nécessitent un mouvement rapide et efficace dans des espaces interconnectés complexes qui sont généralement peu accessibles », a-t-il déclaré.

Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux en développant et en testant de nouveaux types de nanonageurs capables d’utiliser différents carburants potentiellement pertinents pour différentes applications technologiques.

« Il est également important de développer des moyens évolutifs pour créer les nanonageurs eux-mêmes, qui sont actuellement fabriqués en petites quantités », nous a dit Schwartz.

Les chercheurs visent également à explorer une compréhension de la coopération potentielle entre plusieurs nanonageurs, ou même entre les nanonageurs et les particules passives, « ce qui pourrait potentiellement conduire à de nouveaux phénomènes inattendus », a-t-il ajouté.