Tecnologia Científica

Nanorrobôs velozes poderão algum dia limpar o solo e a água e entregar medicamentos
As descobertas, publicadas esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , descrevem como esses minúsculos nanorrobôs sintéticos são incrivelmente eficazes em escapar de cavidades em ambientes labirínticos.
Por Kelsey Simpkins - 29/06/2021


Um diagrama esquemático que mostra a observação de partículas se movendo através de um material poroso genérico. Crédito: Haichao Wu

Pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder descobriram que partículas minúsculas e autopropelidas chamadas de "nano nadadores" podem escapar dos labirintos até 20 vezes mais rápido do que outras partículas passivas, abrindo caminho para seu uso em tudo, desde limpeza industrial até entrega de medicamentos.

As descobertas, publicadas esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , descrevem como esses minúsculos nanorrobôs sintéticos são incrivelmente eficazes em escapar de cavidades em ambientes labirínticos. Esses nano nadadores poderiam um dia ser usados ​​para remediar o solo contaminado, melhorar a filtração da água ou até mesmo distribuir medicamentos em áreas específicas do corpo, como dentro de tecidos densos.

"Esta é a descoberta de um fenômeno inteiramente novo que aponta para uma ampla gama potencial de aplicações", disse Daniel Schwartz, autor sênior do artigo e professor de engenharia química e biológica Glenn L. Murphy.

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

Esses nano nadadores, também chamados de partículas de Janus (em homenagem a um deus romano de duas cabeças), são minúsculas partículas esféricas compostas de polímero ou sílica, projetadas com diferentes propriedades químicas em cada lado da esfera. Um hemisfério promove a ocorrência de reações químicas, mas não o outro. Isso cria um campo químico que permite que a partícula pegue energia do ambiente e a converta em movimento direcional - também conhecido como autopropulsão.

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

Em contraste, as partículas passivas que se movem aleatoriamente (um tipo de movimento conhecido como movimento browniano) são conhecidas como partículas brownianas. O nome é uma homenagem ao cientista do século 19, Robert Brown, que estudou coisas como o movimento aleatório dos grãos de pólen suspensos na água.

Os pesquisadores converteram essas partículas brownianas passivas em partículas de Janus (nanoswimmers) para esta pesquisa. Em seguida, eles fizeram esses nano nadadores autopropelidos tentarem se mover através 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 as partículas brownianas passivas.
 
Os resultados foram chocantes, até mesmo para os pesquisadores.

Uma imagem representativa de microscopia eletrônica de varredura de opalas inversas,
o meio poroso usado nesta pesquisa. Grandes padrões circulares indicam as cavidades
compactadas e pequenos padrões elípticos indicam os orifícios que conectam as
cavidades adjacentes. Cada cavidade foi conectada às cavidades
adjacentes por meio de doze orifícios. Crédito: Haichao Wu

As partículas de Janus foram incrivelmente eficazes em escapar das cavidades dentro do labirinto - até 20 vezes mais rápido do que as partículas brownianas - porque se moveram estrategicamente ao longo das paredes da cavidade em busca de buracos, o que lhes permitiu encontrar as saídas muito rapidamente. Sua autopropulsão também parecia dar a eles um impulso de energia necessário para passar pelos orifícios de saída dentro do labirinto.

“Sabemos que temos muitas aplicações para os nanorrobôs, especialmente em ambientes muito confinados, mas não sabíamos realmente como eles se moviam e quais são as vantagens em comparação com as partículas brownianas tradicionais. É por isso que começamos 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 labirínticos."

Embora essas partículas sejam incrivelmente pequenas, cerca de 250 nanômetros - pouco mais largas que um fio de cabelo humano (160 nanômetros), mas ainda muito, muito menores que a cabeça de um alfinete (1-2 milímetros) - o trabalho é escalonável. Isso significa que essas partículas poderiam navegar e permear espaços tão microscópicos quanto o tecido humano para transportar cargas e entregar drogas, bem como através do solo subterrâneo ou praias de areia para remover poluentes indesejados.

Nano nadadores de enxame

O próximo passo nesta linha de pesquisa é entender como os nano nadadores se comportam em grupos dentro de ambientes confinados, ou em combinação com partículas passivas.

"Em ambientes abertos, os nano nadadores são conhecidos por exibir um comportamento emergente - comportamento que é mais do que a soma de suas partes - que imita o movimento de enxameação de bandos de pássaros ou cardumes de peixes. Esse tem sido um grande ímpeto para estudá-los". disse Schwartz.

Um dos principais obstáculos para atingir esse objetivo é a dificuldade de ser capaz de observar e compreender o movimento 3D dessas minúsculas partículas no fundo de um material que compreende espaços interconectados complexos.

Wu superou esse obstáculo usando líquido de índice de refração no meio poroso, que é um líquido que afeta a velocidade com que a luz viaja através de um material. Isso tornou o labirinto essencialmente invisível, permitindo a observação do movimento 3D das partículas usando uma técnica conhecida como microscopia de função de difusão de ponto de dupla hélice.

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

"Este documento é a primeira etapa: ele fornece um sistema de modelo e a plataforma de imagem que nos permite responder a essas perguntas", disse Wu. "O próximo passo é usar 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."

 

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