Физики из исследовательского центра IBM и Высшей технической школы (ETH) Цюриха создали новый метод сборки сложных коллоидных структур, состоящих из блоков различных типов. Он позволяет контролировать форму, размер и состав частиц, создавая при этом одновременно огромное количество их копий. Авторы отмечают, что с помощью этого метода можно создавать коллоидные частицы с точно заданными магнитными и электрическими свойствами. Одним из возможных применений может быть создание микроскопических роботов для биомедицинских применений, способных захватывать, транспортировать и высвобождать микроскопические объекты. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает пресс-релиз ETH.

Методика представляет собой модифицированную технику сборки частиц с помощью капиллярных эффектов. В классическом методе используется поверхность с углублениями определенной формы — «ловушками». На нее помещают каплю раствора, содержащего коллоидные частицы — например, полимерные шарики. Затем, каплю начинают перемещать вдоль поверхности и, из-за капиллярных эффектов, частицы, оказывающиеся в задней части капли захватываются «ловушками». В результате на подложке образуется набор частиц, как правило, одинаковой формы, которая задается формой углублений. 

Первая стадия сборки коллоидных частиц. Songbo Ni et al. / Science Advances, 2016

Схема захвата коллоидных частиц «ловушками». Снизу — микрофотографии частиц, захваченных за первый проход капли по поверхности. Songbo Ni et al. / Science Advances, 2016

Недостатком классического метода является невозможность контролировать, какое количество частиц окажется в той или иной «ловушке». В новой работе исследователи выяснили, от чего зависит этот параметр. Оказалось, что точно задавая глубину «ловушек» и поверхностное натяжение в капле можно добиться осаждения лишь одной частицы за один проход. Два этих фактора контролируют величину капиллярных сил, действующих на коллоидные частицы. Если при движении капли с частицами в одно углубление попали две микросферы, то капиллярные силы выталкивали ближайшую к центру капли частицу. В работе исследователи использовали шарики диаметром один микрометр, сделанные из полистирола и стекла.

Примеры структур, созданных с помощью новой техники: сверху — схема сборки, снизу — микрофотографии флуоресцентных частиц. Songbo Ni et al. / Science Advances, 2016

После того как капля проходила все «ловушки» поверхность подсушивали и захваченные частицы оказывались связанными с поверхностью подложки. Благодаря этому при проходе капли с новыми компонентами будущих коллоидных структур выбрасывания уже осажденных частиц не происходило. Так шаг за шагом ученые создавали треугольные и вытянутые группировки микрочастиц. На последнем этапе, после того как последний блок был прикреплен к структуре, отдельные частицы скрепляли между собой нагревом.

Исследователи сравнивают созданные коллоидные агрегаты с искусственными молекулами. Они меньше чем типичные объекты макромира, но крупнее, чем отдельные молекулы. По словам Лусио Исы, возглавлявшего научную группу, разработанная методика впервые позволяет контролировать последовательность соединения фрагментов в этих микроразмерных объектах. Ранее другая группа ученых научилась контролируемо создавать немного другой тип объектов из полимерных сфер — вложенные микросферы.

Автор: Владимир Королёв