Pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder descobriram quepartículas minaºsculas e autopropelidas chamadas de "nano nadadores" podem escapar dos labirintos até20 vezes mais rápido do que outraspartículas passivas, abrindo caminho para seu uso em tudo, desde limpeza industrial atéentrega de medicamentos.

As descobertas, publicadas esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , descrevem como esses minaºsculos nanorrobôs sintanãticos são incrivelmente eficazes em escapar de cavidades em ambientes labira­nticos. Esses nano nadadores poderiam um dia ser usados ​​para remediar o solo contaminado, melhorar a filtração da águaou atémesmo distribuir medicamentos em áreas especa­ficas do corpo, como dentro de tecidos densos.

"Esta éa descoberta de um fena´meno inteiramente novo que aponta para uma ampla gama potencial de aplicações", disse Daniel Schwartz, autor saªnior do artigo e professor de engenharia química e biológica Glenn L. Murphy.

Esses nano nadadores chamaram a atenção da comunidade da física tea³rica hácerca de 20 anos, e as pessoas imaginaram uma grande variedade de aplicações no mundo real, de acordo com Schwartz. Mas, infelizmente, essas aplicações tanga­veis ainda não foram realizadas, em parte porque tem sido muito difa­cil observar e modelar seu movimento em ambientes relevantes - atéagora.

Esses nano nadadores, também chamados departículas de Janus (em homenagem a um deus romano de duas cabea§as), são minaºsculaspartículas esfanãricas compostas de pola­mero ou sa­lica, projetadas com diferentes propriedades químicas em cada lado da esfera. Um hemisfanãrio promove a ocorraªncia de reações químicas, mas não o outro. Isso cria um campo qua­mico que permite que a parta­cula pegue energia do ambiente e a converta em movimento direcional - também conhecido como autopropulsão.

"Em biologia e organismos vivos, a propulsão celular éo mecanismo dominante que faz com que o movimento ocorra, e ainda, em aplicações de engenharia, éraramente usado. Nosso trabalho sugere que hámuito que podemos fazer com a autopropulsão", disse Schwartz.

Em contraste, aspartículas passivas que se movem aleatoriamente (um tipo de movimento conhecido como movimento browniano) são conhecidas comopartículas brownianas. O nome éuma homenagem ao cientista do século 19, Robert Brown, que estudou coisas como o movimento aleata³rio dos gra£os de pa³len suspensos na a¡gua.

Os pesquisadores converteram essaspartículas brownianas passivas empartículas de Janus (nanoswimmers) para esta pesquisa. Em seguida, eles fizeram esses nano nadadores autopropelidos tentarem se mover atravanãs de um labirinto feito de um meio poroso e compararam a eficiência e a eficácia com que encontraram as rotas de fuga em comparação com aspartículas brownianas passivas.

Os resultados foram chocantes, atémesmo para os pesquisadores.

Aspartículas de Janus foram incrivelmente eficazes em escapar das cavidades dentro do labirinto - até20 vezes mais rápido do que aspartículas brownianas - porque se moveram estrategicamente ao longo das paredes da cavidade em busca de buracos, o que lhes permitiu encontrar as saa­das muito rapidamente. Sua autopropulsão também parecia dar a eles um impulso de energia necessa¡rio para passar pelos orifa­cios de saa­da dentro do labirinto.

“Sabemos que temos muitas aplicações para os nanorrobôs, especialmente em ambientes muito confinados, mas não saba­amos realmente como eles se moviam e quais são as vantagens em comparação com aspartículas brownianas tradicionais. a‰ por isso que comea§amos uma comparação entre esses dois”. disse Haichao Wu, principal autor do artigo e estudante de graduação em engenharia química e biológica. "E descobrimos que os nano nadadores são capazes de usar uma maneira totalmente diferente de pesquisar esses ambientes labira­nticos."

Embora essaspartículas sejam incrivelmente pequenas, cerca de 250 nana´metros - pouco mais largas que um fio de cabelo humano (160 nana´metros), mas ainda muito, muito menores que a cabea§a de um alfinete (1-2 mila­metros) - o trabalho éescalona¡vel. Isso significa que essaspartículas poderiam navegar e permear Espaços tão microsca³picos quanto o tecido humano para transportar cargas e entregar drogas, bem como atravanãs do solo subterra¢neo ou praias de areia para remover poluentes indesejados.

O pra³ximo passo nesta linha de pesquisa éentender como os nano nadadores se comportam em grupos dentro de ambientes confinados, ou em combinação compartículas passivas.

"Em ambientes abertos, os nano nadadores são conhecidos por exibir um comportamento emergente - comportamento que émais do que a soma de suas partes - que imita o movimento de enxameação de bandos de pa¡ssaros ou cardumes de peixes. Esse tem sido um grande a­mpeto para estuda¡-los". disse Schwartz.

Um dos principais obsta¡culos para atingir esse objetivo éa dificuldade de ser capaz de observar e compreender o movimento 3D dessas minaºsculaspartículas no fundo de um material que compreende Espaços interconectados complexos.

Wu superou esse obsta¡culo usando la­quido de a­ndice de refração no meio poroso, que éum la­quido que afeta a velocidade com que a luz viaja atravanãs de um material. Isso tornou o labirinto essencialmente invisível, permitindo a observação do movimento 3D daspartículas usando uma técnica conhecida como microscopia de função de difusão de ponto de dupla hanãlice.

Isso permitiu a Wu rastrear trajeta³rias tridimensionais daspartículas e criar representações visuais, um grande avanço da modelagem 2D ta­pica de nanopartículas Sem esse avanço, não seria possí­vel entender melhor o movimento e o comportamento de indivíduos ou grupos de nano nadadores.

"Este documento éa primeira etapa: ele fornece um sistema de modelo e a plataforma de imagem que nos permite responder a essas perguntas", disse Wu. "O pra³ximo passo éusar este modelo com uma população maior de nano nadadores, para estudar como eles são capazes de interagir uns com os outros em um ambiente confinado."