Научная группа из Японии предложила инновационный метод создания «самодвижущихся» коллоидных частиц, стохастическими передвижениями которых можно управлять извне. Эксперимент уникален тем, что ученым удалось добиться подобного поведения для одной единственной частицы.

Двигательные или моторные белки, молекулярные «машины», преобразовывающие химическую энергию в механическую работу, обеспечивают львиный вклад в решение механических задач внутри живой клетки. В последние несколько лет структура и поведение этих молекул «вдохновила» ученых на разработку искусственных машин, которые способны на механическую работу или передвижения в окружающей вязкой среде. Но исследователи еще не до конца понимают механизм преобразования энергии в моторном белке. Ведь правила, используемые при работе с макро-масштабами, не работают в наномире. Таким образом, для дальнейшего развития данного класса механизмов необходимы новые стратегии.

Одна из таких стратегий предложена в статье совместной научной группы из University of Tokyo и Kyoto University (Япония), опубликованной в журнале Physical Review Letters. Исследователи предложили инновационный способ создания «самоходных» коллоидных частиц при помощи специального металлического покрытия и нагревающего их извне расфокусированного лазера.

Ученые исследовали движение коллоидных частиц под действием внешних полей не менее века. Рассматривались различные варианты движения в электростатическом потенциале (электрофорез), градиента концентрации раствора (диффузиофорез) или температуры (термофорез). Коллоидные частицы перемещаются благодаря изменению граничной структуры жидкости около их поверхностей. Особенность такого движения в том, что сами коллоидные частицы могут при этом не подвергаться воздействию внешней силы.

Движение коллоидов без внешней силы возможно, например, если речь идет о частицах Януса (сформированных из двух половин, обладающих разными свойствами). В этом случае движение вызвано различием в химических реакциях у поверхности частиц. Эта идея уже нашла реализацию на эксперименте: роль частиц Януса выполняли пенопластовые шарики, наполовину покрытые платиной, в растворе перекиси водорода. Теперь же группа ученых из Японии предложила новую конструкцию частиц Януса. Разработанные ими коллоиды состоят из кварца, причем на половину площади поверхности нанесено золото. Как продемонстрировали исследователи, частицы показывают самотермофорез, т.е. самопроизвольное движение под воздействием градиента температуры, если освещать их расфокусированным лучом лазера. Часть поверхности, покрытая металлом, поглощает излучение и нагревается, формируя градиент температуры вокруг коллоида. Скорость движения частицы при этом – несколько микрон в секунду.

Эксперимент примечателен не только тем, что продемонстрирован новый вариант частиц Януса. Ученые показали, что эффекта самотермофореза можно добиться для одной единственной частицы. При этом скорость движения коллоида будет зависеть от интенсивности лазерного излучения. Это значит, что методика в будущем позволит искусственно моделировать свойства коллоида, а точнее его стохастическое поведение.

Пока разработка находится на начальной стадии. Безусловно, исследования в данном направлении будут продолжаться.