Химики из Университета Гонконга разработали микрочастицы, способные самостоятельно перемещаться в среде химического топлива, ориентируясь при этом на источники света. По словам ученых, на создание подобных объектов их вдохновили зеленые водоросли, также способные двигаться по направлению к свету. Среди возможных применений подобных микропловцов — адресная доставка лекарств и неинвазивная хирургия. Исследование опубликованов журнале Nature Nanotechnology.

Поведение микропловцов (два нижних ряда) и зеленых водорослей (верхний ряд) под действием освещения. Baohu Dai et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Управление микропловцом с помощью света. Baohu Dai et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Микропловцы (microswimmer) — химически активные частицы (как правило, катализаторы), способные самостоятельно двигаться, попав в среду, содержащую химическое топливо. Примером могут послужить микроракеты — полые трубки, покрытые изнутри палладием или платиной. Металлические наночастицы играют роль катализаторов разложения перекиси водорода на воду и кислород, в результате чего внутри трубок образуются пузырьки газа. Они выбрасываются с одного конца трубки, играя роль реактивной струи, и тем самым заставляют «микроракету» двигаться вперед.

Простейшие микроплавцы не могут контролировать направление своего движения. Для того чтобы управлять их перемещением, необходимо усложнить их структуру, например, добавить магнитный материал — тогда частицы станут чувствительны к магнитному полю. Авторы новой работы нашли способ сделать чувствительных к свету микропловцов, движущихся, создавая вокруг себя электрическое поле.

Строение микроплавцов: сверху — электрическое поле, возникающее в результате фотохимической реакции, снизу — микрофотографии «леса» из микропловцов. Baohu Dai et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Микрочастицы, созданные химиками, состоят из двух частей: «туловища» из 11-микронного кремниевого стержня и «головы» — шапки из иголок диоксида титана, покрывающей чуть меньше половины поверхности «туловища». На кремниевый стержень были нанесены наночастицы платины. Ученые вырастили на кремниевом монокристалле «лес» из микропловцов с помощью химического травления и гидротермальных методов. Затем частицы отделяли от подложки и использовали в экспериментах. 

Попадая в раствор, содержащий перекись водорода или гидрохинон, микропловцы запускали ряд фотохимических реакций (требующих для протекания света). «Голова» частицы вызывала окисление перекиси с образованием в растворе положительно заряженных протонов и молекулярного кислорода. «Хвостовая» часть восстанавливала перекись и формировала отрицательно заряженные гидроксид-ионы. В результате вокруг микропловца возникало электрическое поле. В результате взаимодействия зарядов в частице с полем объект начинал двигаться. 

Движение частиц с разными зарядами поверхности: с отрицательным зарядом (слева и посередине) и положительным зарядом (справа). Снизу: скорость частиц в зависимости от интенсивности освещения. Baohu Dai et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Ученые проверили, что движение запускается именно электростатическим полем. Для этого химики поменяли поверхностный заряд частицы. В то время как обычные микропловцы двигались «хвостом» вперед, частица с обращенным зарядом двигалась вперед «головой». 

Кроме того, асимметричность формы микропловцов позволила сделать их чувствительными к местоположению источника света. Из-за того что большая «голова» пловца бросала тень на часть активной поверхности, электрическое поле было не однородным: количество положительных зарядов с освещенной стороны частицы было большим, чем в тени. Это заставляло частицу разворачивать «голову» в сторону от источника света.

Ученые отмечают, что поведение микропловцов напоминает собой поведение одноклеточных зеленых водорослей. Это удалось продемонстрировать в эксперименте. Химики предполагают, что фоточувствительные частицы смогут найти применение в адресной доставке лекарств. Современные оптические техники позволяют точно сфокусировать свет в определенной области тканей, куда микропловцы смогут доставить необходимые вещества.

Автор: Владимир Королёв