Cząstki Janusa, syntetyczne pływaki i materia aktywna w mikroskali

• Autorzy: Lisicki Maciej
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Materia aktywna to układy złożone z wielu elementów, które poruszają się czerpiąc energię z otoczenia. Jednym z przykładów są orzęski – jednokomórkowe mikroorganizmy, poruszające się poprzez wytworzenie na swojej powierzchni przepływu za pomocą setek drobnych rzęsek pokrywających ich komórki. Mechanizm ten zainspirował prace nad sztucznymi mikropływakami, które poruszają się wykorzystując wytwarzane przez siebie gradienty odpowiednich wielkości fizycznych, takich jak temperatura, stężenie produktów reakcji chemicznej albo pole elektryczne. W poniższym artykule omawiam krótko mechanizmy fizyczne rządzące ruchem syntetycznych mikropływaków i podsumowuję dotychczasowe próby wykorzystania wspominanych zjawisk do napędzania aktywnych mikrocząstek. Wskazuję niektóre kierunki rozwoju i wyzwania stojące przed bionaśladowczą mikroinżynierią, takie jak kontrola ruchu cząstek przy użyciu zewnętrznych bodźców, i prezentuję potencjalne rozwiązania.

EN

Active matter are systems comprising of many elements which move by drawing the energy from their environment. An example are ciliates – unicellular microorganisms which move by generating flow on their surfaces using hundreds of tiny cilia covering their cell bodies. his mechanism has inspired works on artificial microswimmers which move in response to self-generated gradients of various physical quantities, such as temperature, concentration of chemical species, or electric field. In this article, I briefly review the basic physical mechanisms governing the motion of synthetic microswimmers and summarise previous implementations using the above mentioned phenomena to propel microparticles. I highlight possible developments and challenges of biomimetic microengineering, such as the control of motion of particles using external stimuli, and present potential solutions.

Słowa kluczowe

PL

materia aktywna; materia miękka; mikropływaki; lepkość; hydrodynamika; biologiczna mechanika płynów; nanoroboty; pływanie; dyfuzjoforeza

EN

active matter; soft matter; microswimmers; viscosity; hydrodynamics; biological fuid mechanics; nanorobots; swimming; diffusiophoresis

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Fizyczne
• Czasopismo: Postępy Fizyki
• Rocznik: 2020
• Tom: T. 71, z. 3
• Strony: 3--11
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Lisicki Maciej

• Instytut Fizyki Teoretycznej, Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego

Bibliografia

• [1] R. P. Feynman. here’s plenty of room at the bottom. Engineering and Science 2, 22–36, 1960.
• [2] S. J. Decamp. What is Active Matter? http://www.stephenjdecamp.com/what-is-active-matter.html
• [3] S. Ramaswamy. he Mechanics and Statistics of Active Matter. Annu. Rev. Cond. Matt. Phys. 1, 323-345, 2010.
• [4] G. Gompper et al. he 2020 motile active matter roadmap. Journal of Physics: Condensed Matter 32, 193001, 2020.
• [5] M. Lisicki. W lepkim mikroświecie: krótka lekcja pływania w miodzie. Postępy Fizyki 70 (1), 29 (2019).
• [6] E. Lauga i T. R. Powers. he hydrodynamics of swimming microorganisms. Rep. Prog. Phys. 72, 096601, 2009.
• [7] T. L. Jahn i J. J. Votta. Locomotion of protozoa. Annu. Rev. Fluid Mech. 4, 93–116, 1972.
• [8] G.R. Fulford i J.R Blake. Muco-ciliary transport in the lung. J. heo. Biol. 121, 381 – 402, 1986.
• [9] M. Ezzati, O. Djahanbakhch, S. Arian, B. R. Carr. Tubal transport of gametes and embryos: a review of physiology and pathophysiology. J. Assist. Reprod. and Genet. 31, 1337–1347, 2014.
• [10] J. R. Blake. A spherical envelope approach to ciliary propulsion. J. Fluid Mech. 46, 199–208, 1971.
• [11] M. J. Lighthill. On the squirming motion of nearly spherical deformable bodies through liquids at very smallreynolds numbers. Comm. Pure Appl. Math. 5, 109–118, 1952.
• [12] J. L. Anderson. Colloid transport by interfacial forces. Annu. Rev. Fluid Mech. 21, 61–99, 1989.
• [13] C. Bechinger, R. Di Leonardo, H. Löwen, C. Reichhardt, G. Volpe(1), G. Volpe(2). Active particles in complex and crowded environments. Rev. Mod. Phys. 88, 045006, 2016.
• [14] M. Lisicki, M. F. Velho Rodrigues, R. E. Goldstein, E. Lauga. Swimming eukaryotic microorganisms exhibit a universal speed distribution. eLife 8, e44907, 2019.
• [15] H.R. Vutukuri, M. Lisicki, E. Lauga, J. Vermant. Light-switchable active particles: Fast and reversible ûssion and fusion. Nat. Commun. 11, 2628, 2020.
• [16] R. F. Ismagilov, A. Schwartz, N. Bowden, G. M. Whitesides. Autonomous movement and self-assembly. Angew. Chem. Int. Ed. 41, 652–654, 2002.
• [17] W. F. Paxton, et al. Catalytic nanomotors: Autonomous movement ofstriped nanorods. J.Am.Chem. Soc. 126, 13424–13431, 2004.
• [18] R. Dreyfus, J. Baudry, M. L. Roper, M. Fermigier, H. A. Stone, J. Bibette. Microscopic artiûcial swimmers. Nature 437, 862–865, 2005.
• [19] J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian. Self-motile colloidal particles: From directed propulsion to random walk. Phys. Rev. Lett. 99, 048102, 2007.
• [20] P. Tierno, R. Golestanian, I. Pagonabarraga, F. Sagués. Controlled swimming in confiuned fluids of magnetically actuated colloidal rotors. Phys. Rev. Lett. 101, 218304, 2008.
• [21] A. Ghosh i P. Fischer. Controlled propulsion of artiûcial magnetic nanostructured propellers. Nano Letters 9, 2243–2245, 2009.
• [22] H.-R. Jiang, N. Yoshinaga, M. Sano. Active motion of a Janus particle by self-thermophoresis in a defocused laser beam. Phys. Rev. Lett. 105, 268302, 2010.
• [23] S. Sanchez, A. N. Ananth, V. M. Fomin, M. Viehrig, O. G. Schmidt. Superfast motion of catalytic microjet engines at physiological temperature. J. Am. Chem. Soc. 133, 14860–14863, 2011.
• [24] S. hutupalli, R. Seemann, S. Herminghaus. Swarming behavior of simple model squirmers. New J. Phys. 13, 073021, 2011.
• [25] G. Volpe, I. Buttinoni, D. Vogt, H.-J. Kümmerer, C. Bechinger. Microswimmers in patterned environments. SoMatter 7, 8810–8815, 2011.
• [26] I. Buttinoni, G. Volpe, F. Kümmel, G. Volpe, C. Bechinger. Active Brownian motion tunable by light. J. Phys.: Cond. Matt. 24, 284129, 2012.
• [27] F. Kümmel, B. ten Hagen, R. Wittkowski, I. Buttinoni, R. Eichhorn, G. Volpe, H. Löwen, C. Bechinger. Circular motion of asymmetric self-propelling particles. Phys. Rev. Lett. 110, 198302, 2013.
• [28] W. Wang, L. A. Castro, M. Hoyos, T. E. Mallouk. Autonomous motion of metallic microrods propelled by ultrasound. ACS Nano 6, 6122–6132, 2012.
• [29] D. A. Wilson, R. J. M. Nolte, J. C. M. van Hest. Autonomous movement of platinum-loaded stomatocytes. Nature Chemistry 4, 268–274, 2012.
• [30] A. Bricard, J.-B. Caussin, N. Desreumaux, O. Dauchot, D. Bartolo. Emergence of macroscopic directed motion in populations of motile colloids. Nature 503, 95–98, 2013.
• [31] J. Palacci, S. Sacanna, A. P. Steinberg, D. J. Pine, P. M. Chaikin. Living crystals of light-activated colloidal surfers. Science 339, 936–940, 2013.
• [32] Z. Izri, M. N. van der Linden, S. Michelin, O. Dauchot. Self-propulsion of pure water droplets by spontaneous marangoni-stress-driven motion. Phys. Rev. Lett. 113, 248302, 2014.
• [33] J. Li, et al. Water-driven micromotors for rapid photocatalytic degradation of biological and chemical warfare agents. ACS Nano 8, 11118–11125, 2014.
• [34] X. Ma, A. Jannasch, U.-R. Albrecht, K. Hahn, A. Miguel-López, E. Schäòer, S. Sánchez. Enzymepowered hollow mesoporous Janus nanomotors. Nano Letters 15, 7043–7050, 2015.
• [35] X. Ma, K. Hahn, S. Sanchez. Catalytic mesoporous Janus nanomotors for active cargo delivery. J. Am. Chem. Soc. 137, 4976–4979, 2015.
• [36] X. Ma, A. Jannasch, U.-R. Albrecht, Kl Hahn, A. Miguel-López, E. Schäòer, S. Sánchez. Correction to enzyme-powered hollow mesoporous Janus nanomotors. Nano Letters 15, 7779–7779, 2015.
• [37] D. Nishiguchi i M. Sano, Mesoscopic turbulence and local order in Janus particles self-propelling under an ac electric feld. Phys. Rev. E 92, 052309, 2015.
• [38] A. Joseph, et al., Chemotactic synthetic vesicles: Design and applicationsin blood-brain barrier crossing. Science Advances 3, 2017.

Uwagi

1) KONKURS PTF – NAGRODA.

2) Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).