Загадковий феномен: дивовижний спосіб зловити мікрочастинку

Коли фізики направили крихітну мікрочастинку до циліндричної перешкоди, вони очікували, що відбудеться один із двох результатів. Частинка або зіткнеться з перешкодою, або облетить її. Однак частинка не зробила ні того, ні іншого. Команда дослідників під керівництвом Північно-Західного університету та Політехнічної школи у Франції була здивована та спантеличена, спостерігаючи, як частинка вигинається навколо перешкоди, а потім прилипає до її задньої сторони. Перешкода, здавалося, фактично затримала частинку.

Після серії симуляцій і експериментів дослідники розгадали фізику, яка стоїть за цим дивним явищем. Три фактори спричинили несподівану поведінку захоплення: електростатика, гідродинаміка та непостійний випадковий рух навколишніх молекул. Розмір перешкоди також визначав, як довго частинка залишалася в пастці, перш ніж втекти.

Нове розуміння може бути використано для вдосконалення мікрофлюїдних застосувань і систем доставлення ліків — обидва вони покладаються на мікрочастинки для навігації по складним, структурованим ландшафтам. Дослідження буде опубліковано 8 березня в журналі Science Advances.

«Я взагалі не очікувала побачити захоплення в цій системі», — сказала Мішель Дрісколл з Northwestern, яка керувала дослідженням. «Але захоплення додає багато користі системі, тому що тепер у нас є спосіб збирати частинки. Такі завдання, як захоплення, змішування та сортування, дуже важко виконати в таких малих масштабах. Ви не можете просто зменшити масштаб стандартних процесів для змішування та сортування, оскільки при цьому обмеженні розміру починає діяти інша фізика. Отже, важливо мати різні способи маніпулювання частинками».

Дрісколл — доцент кафедри фізики в Північно-західному коледжі мистецтв і наук Вайнберга. Вона очолювала дослідження разом з Блезом Дельмоттом, дослідником Політехнічної школи.

Подібні за розміром до бактерій, мікроролери – це синтетичні мікроскопічні частинки, здатні рухатися в рідкому середовищі. Дрісколл та її команда особливо зацікавлені в мікроролерах через їхню здатність вільно — і швидко — пересуватися в різних напрямках, а також їхній потенціал перевозити та доставляти вантажі в складних замкнутих середовищах, у тому числі всередині людського тіла.

Мікроролики в лабораторії Дрісколла пластикові з серцевиною з оксиду заліза, що дає їм слабке магнітне поле. Помістивши мікроролики в герметичну мікрокамеру (розміром 100 міліметрів на 2 міліметри на 0,1 міліметра), дослідники можуть контролювати напрямок їхнього руху, маніпулюючи обертовим магнітним полем навколо зразка. Щоб змінити спосіб руху мікророликів, дослідники просто перепрограмували рух магнітного поля, щоб тягнути мікроролики в різних напрямках.

Але мікрофлюїдні пристрої та людське тіло, звичайно, є набагато складнішими ландшафтами порівняно з безвиразною камерою для зразків. Отже, Дрісколл та її співробітники додали перешкоди до системи, щоб побачити, як мікроролери можуть орієнтуватися в навколишньому середовищі.

«Для реалістичних застосувань ви не просто матимете цю систему з частинками, які сидять у відкритому просторі», — сказав Дрісколл. «Це буде складний ландшафт. Можливо, вам доведеться перемістити частинки через звивисті канали. Отже, ми хотіли спочатку дослідити найпростіший варіант проблеми: один мікроролер і одна перешкода».