Израильские ученые с помощью численного моделирования определили, какая конфигурация плавающих в жидкости микрочастиц наиболее эффективно преобразуют энергию вращающегося внешнего магнитного поля в поступательное движение. Оптимальной оказалась несимметричная хиральная структура, напоминающая по форме перекрученный носок, однако близкими к ней по эффективности могут быть и плоские изогнутые частицы, пишут ученые в Science Robotics.

Чтобы заставить микро- или наночастицу двигаться в жидкости в нужном направлении, ученые применяют несколько различных подходов. Чаще всего для этого используется внешние источники энергии: магнитное поле, световой пучок, ультразвуковые волны или нагревание. Иногда кроме внешнего поля у частицы есть и собственный источник энергии, например химический источник реактивного движения, который может запускать реакцию каталитического образования газа. А если частица обладает нужной формой, то во вращающемся внешнем поле она может активно двигаться в заданном направлении за счет собственного вращения. Например, к таком типу движения способны спиралевидные частицы, по своей форме аналогичные жгутикам некоторых бактерий.

Чтобы не приходилось каждый раз копировать нужную форму частиц, используя биологические объекты в качестве матрицы, ученые из Израильского технологического института Технион под руководством Александра Лешанского (Alexander Leshansky) предложила теоретическую модель для определения оптимальной геометрии магнитных микро- или наночастиц для их движения в жидкости с максимальной скоростью. В своей работе ученые рассматривали движение только одного типа, при котором за счет вращающегося внешнего магнитного поля начинают вращаться и сами частицы, что в конечном итоге приводит к их поступательному движению. Однако при поиске оптимальной геометрии ученые не ограничивались только хиральными структурами (которые в некоторых случаях являются необходимым условием для преобразования вращательного движения в поступательное), но также рассматривали и другие конфигурации, в том числе и плоские.

Для оценки эффективности движения частиц различной формы ученые ввели два параметра — δ и δ*. Первый из них практически всегда используется для подобного анализа и определяется соотношением скоростей вращательного и поступательного движения при данной частоте вращения магнитного поля. Второй же определяет это же соотношение, но в тот момент, когда система выходит за пределы рабочего режима, и из-за вязкости жидкости частоты вращения частицы и магнитного начинают отличаться друг от друга.

Подбор оптимальных структур ученые проводили с помощью численного моделирования, исследуя различные конфигурации, собранные из нескольких десятков сферических магнитных частиц, и пытаясь добиться максимального значения δ и δ*. Оказалось, что при оптимизации по каждому из двух критериев наиболее выгодными оказываются разные геометрии частиц. Так, в более простом случае оптимизации отношения скоростей без учета возможного выхода за пределы рабочего диапазона оказывается хиральная спиралеобразная структура в форме приплюснутой с одной стороны искривленной дуги с соотношением ширины к длине 1 к 12. Эта структура оказалась несимметричной и довольно сильно отличается от тех форм, которые ученые копировали с биологических структур.

Частица оптимальной формы при оптимизации относительно параметра δ. Y. Mirzae et al./ Science, 2018

При этом структуры, которые оказываются оптимальными с точки зрения δ, практически всегда становятся самыми невыгодными с точки зрения δ*, то есть при самых низких частотах выходят из рабочего диапазона частот. Поэтому при подборе оптимальной формы движущихся микрочастиц всегда необходимо учитывать и то, при каких частотах вращения магнитного поля будет проводиться эксперимент. Что интересно, в определенных случаях очень близкими к оптимальной могут быть не трехмерные хиральные структуры, а короткие плоские изогнутые частицы, при этом довольно широкие.

Изменение эффективности движения частиц различной формы с точки зрения двух параметров — δ и δ*. Сверху приведены различные плоские структуры, снизу — скрученные. Y. Mirzae et al./ Science, 2018

Кроме того, поскольку в некоторых предыдущих работах предполагалось, что эффективно двигаться могут и разупорядоченные фрактальные частицы, ученые провели расчеты и для них, однако оказалось, что по эффективности они уступают как спиральным, так и плоским изогнутым частицам.

По словам авторов, полученные ими данные помогут увеличить эффективность систем, в которых активное движение частиц возбуждается с помощью внешних полей. В будущем такие системы можно будет использовать в биомедицинских технологиях, например, для удаленной доставки лекарств.

Одна из проблем, с которой сталкиваются ученые при разработке магнитных или оптических микромоторов, — повышенная роль тепловых флуктуаций. Для решения этой проблемы исследователи предлагают использовать для возбуждения движения не только свойства самой движущейся частиц, но и жидкости, в которую она помещена. Например, недавно физики разработали подход, в котором управляемое движение поглощающих свет микрочастиц возбуждается оптически за счет расслаивания критической смеси растворителей на две фазы.

Автор: Александр Дубов