Международная исследовательская группа продемонстрировала новую технику нанесения кремнезема на жгутики, спиралевидные хвосты, которые встречаются у многих бактерий, для создания наноразмерных плавательных роботов. Как сообщалось на этой неделе в APL Materials от AIP Publishing, наноплаватели группы вращают свои жгутики благодаря вращающимся магнитным полям и могут действовать почти так же хорошо, как живые бактерии.«Мы впервые показали возможность использования бактериальных жгутиков в качестве шаблона для построения неорганических спиралей», — сказал Мин Джун Ким, один из авторов статьи. «Это довольно преобразующая идея, которая окажет большое влияние не только на медицину, но и на другие области».
По сравнению с более крупными формами движения в воде, наноплавание зависит от понимания числа Рейнольдса, безразмерных величин, которые связывают скорость жидкости, вязкость и размер объектов в жидкости. Имея число Рейнольдса, равное одной миллионной от нашего собственного, бактерии должны использовать невзаимное движение при почти полном отсутствии сил инерции.
Используя спиральные хвосты, состоящие из белка, называемого флагеллином, многие виды бактерий относительно легко перемещаются в этих микроскопических условиях.«Если бы мы были уменьшены до размера бактерии, мы не смогли бы использовать брасс, чтобы перемещаться по воде», — сказала Ким. «Если бы бактерии были размером с нас, они могли бы проплыть 100 метров примерно за две секунды».В других недавно разработанных методах построения этих спиральных структур используются сложные нисходящие подходы, в том числе методы, использующие самопрокручивающиеся наноленты или лазеры. Использование этого специализированного оборудования может привести к очень высоким начальным затратам на создание нанороботов.
Вместо этого команда Кима использовала восходящий подход, сначала культивировав штамм Salmonella typhimurium и удалив жгутики. Затем они использовали щелочные растворы, чтобы придать жгутикам желаемую форму и высоту, после чего они покрыли белки кремнеземом.
После этого на кремнеземные шаблоны наносился никель, что позволяло управлять ими с помощью магнитных полей.«Одна из задач заключалась в том, чтобы убедиться, что у нас есть спирали с одинаковой хиральностью. Если вы вращаете левую и правую спирали одинаково, они пойдут в разные стороны», — сказал Ким.Команда испытала на себе нанороботов.
Под воздействием магнитного поля нанороботы не отставали от своих бактериальных собратьев и, по прогнозам, могли преодолевать 22 микрометра, что более чем в четыре раза больше их длины, за секунду. В дополнение к этому, команда смогла направить наноплавателей по траекториям в виде восьмерки.
Хотя Ким сказал, что видит потенциал для непроводящих наноразмерных спиралей в области целенаправленной терапии рака, он добавил, что с помощью работы его команды можно прикрепить проводящие материалы к жгутикам и производить спиральные материалы для электроники и фотоники.