استفاده از نانو ربات ها در تصفیه آب و خاک و دارو رسانی
محققان دانشگاه کلرادو بولدر کشف کرده اند که ذرات کوچک و خودکششی موسوم به "نانو شناگر" می توانند 20 برابر سریعتر از سایر ذرات منفعل از پیچ و خم ها فرار کنند و این امر زمینه استفاده از آنها را در همه موارد از پاکسازی های صنعتی گرفته تا تحویل دارو فراهم می کند.
یافته های منتشر شده در این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ، توصیف می کند که چگونه این نانوربات های کوچک مصنوعی در فرار از حفره ها در محیط هایی مانند پیچ و خم، بسیار باورنکردنی هستند. این نانو شناگر ها می توانند روزی برای از بین بردن خاک آلوده ، بهبود فیلتراسیون آب و یا حتی رساندن داروها به مناطق هدف بدن مانند بافتهای متراکم مورد استفاده قرار گیرند.
دانیل شوارتز ، نویسنده ارشد مقاله و گلن ال مورفی ، پروفسور مهندسی شیمی و بیولوژیک در این رابطه گفته اند: "این کشف یک پدیده کاملاً جدید است که به طیف گسترده ای از کاربردها اشاره دارد."
به گفته شوارتز ، این نانو شناگر ها حدود 20 سال پیش مورد توجه جامعه فیزیک نظری قرار گرفتند و مردم بسیاری از کاربردهای واقعی را تصور می کردند. اما متأسفانه این کاربردهای ملموس هنوز تحقق نیافته است ، بخشی از این امر مشاهده و مدل سازی حرکت آنها در محیط های مربوطه بسیار دشوار بوده است - تاکنون.
این نانو شناگر ها که ذرات Janus نیز نامیده می شوند (نام خدای دو سر رومی) ، ذرات كروی كوچكی هستند كه از پلیمر یا سیلیس تشکیل شده اند و در هر طرف کره با خواص شیمیایی مختلفی مهندسی شده اند. یک نیمکره باعث ایجاد واکنش های شیمیایی می شود ، اما نه در نیمکره دیگر. این خاصیت یک میدان شیمیایی ایجاد می کند که به ذره اجازه می دهد انرژی را از محیط گرفته و آن را به حرکت جهت دار تبدیل کند - که به خود رانشی نیز معروف است.
شوارتز گفت: "در زیست شناسی و موجودات زنده ، پیشرانه سلول مکانیسم غالب است که باعث حرکت می شود و با این حال ، در برنامه های مهندسی شده ، به ندرت از آن استفاده می شود. کار ما نشان می دهد که کارهای زیادی می توان با نیروی محرکه انجام داد."
در مقابل ، ذرات منفعل که بطور تصادفی حرکت می کنند (نوعی حرکت معروف به حرکت براونی) به عنوان ذرات براونی شناخته می شوند. نام آنها از روبرت براون دانشمند قرن نوزدهم گرفته شده است که مواردی مانند حرکت تصادفی دانه های گرده معلق در آب را مطالعه کرده است.
محققان برای این تحقیق این ذرات منفعل براونی را به ذرات ژانوس (نانو شناگر) تبدیل کردند. سپس آنها این نانو شناگران خودران را وادار کردند که در پیچ و خم ساخته شده از یک محیط متخلخل حرکت کنند ، و مقایسه کردند که چگونه راههای فرار را در مقایسه با ذرات منفعل براونی یافتند.
نتایج حتی برای محققان تکان دهنده بود.
ذرات Janus در فرار از حفره های درون پیچ و خم بسیار موثر بودند - حتی 20 برابر سریعتر از ذرات Brownian - زیرا آنها به طور استراتژیک در امتداد دیواره های حفره حرکت می کردند و به دنبال سوراخ می گشتند ، که به آنها اجازه می داد خیلی سریع خروجی ها را پیدا کنند. همچنین به نظر می رسد که نیروی محرکه آنها باعث افزایش انرژی مورد نیاز برای عبور از سوراخ های خروج درون پیچ و خم می شود.
"ما می دانیم که کاربردهای زیادی برای نانوربات ها داریم ، به خصوص در محیط های بسیار محدود ، اما واقعاً نمی دانستیم که چگونه آنها حرکت می کنند و چه مزیت هایی با ذرات سنتی براونی دارند. به همین دلیل مقایسه ای را بین این دو آغاز کردیم." هایچائو وو ، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی و بیولوژیک در این رابطه گفت: "ما دریافتیم که نانو شناگران می توانند از روش کاملاً متفاوتی برای جستجو در این محیطهای پیچ و خم استفاده کنند."
در حالی که این ذرات به طرز باورنکردنی کوچک هستند ، حدود 250 نانومتر - تقریباً وسیعتر از موی انسان (160 نانومتر) ، اما هنوز هم بسیار کوچکتر از سر سنجاق (1-2 میلی متر). این بدان معنی است که این ذرات می توانند به اندازه میکروسکوپی مانند بافت انسان برای حمل بار و رساندن داروها و همچنین از طریق خاک زیر زمین یا سواحل ماسه برای حذف آلاینده های ناخواسته در فضاها حرکت کرده و در آنها نفوذ کنند.
نانوشناگرهای پر ازدحام
گام بعدی در این خط تحقیقاتی ، درک نحوه رفتار نانوشناگر ها در گروههای محیطی محدود یا در ترکیب با ذرات غیرفعال است.
شوارتز گفت: "در محیط های باز ، نانو شناگر ها با رفتارهای آشکار - رفتاری بیش از مجموع تعداد اجزای آنها - که تقلید از حرکت انبوه گله های پرندگان یا ماهی ها است ، شناخته شده اند. این انگیزه زیادی برای مطالعه آنها بوده است."
یکی از اصلی ترین موانع دستیابی به این هدف ، مشکل در توانایی مشاهده و درک حرکت سه بعدی این ذرات ریز در اعماق ماده ای است که شامل فضاهای پیچیده بهم پیوسته است.
وو با استفاده از مایع ضریب شکست در محیط متخلخل ، این مایعات را که بر سرعت حرکت نور در ماده تأثیر می گذارد ، برطرف کرد. با این وجود مشاهده حرکت ذرات سه بعدی با استفاده از تکنیکی که به عنوان میکروسکوپ تابع گسترش نقطه مارپیچ دوگانه شناخته می شود ، این پیچ و خم را اساساً نامرئی می کند.
این مو ضوع دانشمند را قادر می سازد مسیرهای سه بعدی ذرات را ردیابی کند و نمایش های بصری ایجاد کند ، که پیشرفت عمده ای در مدل سازی معمولی دو بعدی ذرات است. بدون این پیشرفت ، درک بهتر حرکت و رفتار ذره یا گروه های نانوشناگر امکان پذیر نخواهد بود.
وو گفت: "این مقاله اولین قدم است: این یک سیستم مدل و بستر تصویربرداری را فراهم می کند که ما را قادر می سازد به این سوالات پاسخ دهیم." "گام بعدی استفاده از این مدل با جمعیت بیشتر نانوشناگرها ، برای بررسی چگونگی توانایی تعامل آنها با یکدیگر در یک محیط محدود است."
