Физики из США и Китая получили спиралевидные плавающие наночастицы, скоростью и направлением движения которых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля. В качестве матрицы для кристаллизации таких частиц оказалось очень удобно использовать жгутики бактерий, пишут ученые в работе, опубликованной в APL Materials.

Создание микро- и наночастиц, которые активно перемещаются по жидкости и могут изменять направление своего движения в ответ на изменение внешних условий, является одной из наиболее интересных задач современной физики наносистем. Такие частицы обычно называют «свиммерами» (от англ. swimmer), и управлять их движением ученые предлагают с помощью химических реакций, градиента концентраций растворенных в жидкости веществ, гидродинамических взаимодействий с окружающими частицами или внешних полей: электростатического или магнитного. Механизмы возбуждения управляемого движения в таких случаях могут быть разными, а одним из наиболее интересных подходов является создание объектов, аналогичных по своей форме или химическому составу биологическим объектам со сходными функциями, в частности, жгутикам клеток.

Траектория управляемого движения спиралевидного «наносвимера». Масштабная линейка соответствует длине 5 микрон. Jamel Ali

Группа физиков из США и Китая под руководством Мин Чжун Кима (Min Jun Kim) из Южного Методистского университета предложила при создании спиралевидных «наносвиммеров» использовать жгутики сальмонеллы (Salmonella typhimurium) в качестве матрицы для биоминерализации. Для этого ученые сначала отделили жгутики от клеток и выделили из них флагеллин — белок, который при реполимеризации кристаллизуется в полые спиралевидные трубки. Внутри таких флагеллиновых трубок были закристаллизованы спиралевидные структуры из оксида кремния. После этого флагеллин с их поверхности удалялся, а вместо него тонким слоем наносилась ферромагнитная никелевая пленка. В результате полученная спираль становилась чувствительна к колебаниям внешнего магнитного поля.

Схема синтеза спиралевидных «наносвиммеров». Jamel Ali et al./ APL Materials, 2017

Толщина полученных спиральных наночастиц составила около 100 нанометров, что примерно в 5 раз больше толщины жгутика сальмонеллы. Варьируя условия синтеза (концентрацию реагентов и толщину магнитной пленки), можно немного изменять толщину спиралей, а за счет изменения кислотности среды (в диапазоне pH от 4 до 12,1) можно получать наночастицы различной формы: спирали или кольца.

Микрофотографии «наносвиммеров». На рисунках (a—d) масштабная линейка соответствует одному микрону, на рисунке (e) — ста нанометрам. Jamel Ali et al./ APL Materials, 2017

При изменении внешнего магнитного поля такие частицы начинают вращаться вокруг оси спирали и совершать при этом поступательные движения. С помощью поворота однородного магнитного поля величиной около 5 миллитесла ученые заставили частицы двигаться по заданной траектории, в частности, частица смогла описать в воде восьмерку. При этом, варьируя направление и частоту изменения магнитного поля, можно изменять не только направление движения, но и его скорость. Зависимость скорости от частоты оказалась линейной, и при частоте 20 герц скорость составила 4 микрона в секунду.

Такие непроводящие спиралевидные наночастицы весьма перспективны для использования в медицинских приложениях, в частности, для доставки лекарств и терапии раковых заболеваний.

С помощью магнитного поля можно не только возбуждать движение плавающих частиц, но и использовать его как направляющую для движения, возбужденного другими способами. Например, таким образом физики смогли задавать направление движения рыбок миллиметрового размера, в которых «мотором» служит каталитическое расщепление перекиси водорода.

Автор: Александр Дубов