La propulsión acústica de las nanomáquinas depende de su orientación

La propulsión acústica de las nanomáquinas depende de su orientación


11 de marzo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Nanomáquinas microscópicamente pequeñas que se mueven como submarinos con su propia propulsión, por ejemplo en el cuerpo humano, donde transportan sustancias activas y las liberan en un objetivo: lo que suena como ciencia ficción se ha convertido en un campo de investigación en crecimiento en los últimos 20 años.

Sin embargo, la mayoría de las partículas desarrolladas hasta ahora solo funcionan en el laboratorio. La unidad, por ejemplo, es un obstáculo. Algunas partículas necesitan energía en forma de luz, otras usan propulsión química que libera sustancias tóxicas. Tampoco es adecuado para su uso en el cuerpo. Una solución al problema podría ser partículas impulsadas acústicamente.

Johannes Voß y el Prof. Raphael Wittkowski del Instituto de Física Teórica y el Centro de Nanociencia Blanda de la WWU ahora han encontrado respuestas a preguntas centrales que anteriormente obstaculizaban el uso de unidades acústicas.

Los resultados fueron publicados en la revista ACS nano («Propulsión dependiente de la orientación de nanopartículas y micropartículas triangulares por una onda ultrasónica viajera»). Una nanopartícula cónica (de color dorado) en agua.  La partícula está expuesta a una onda ultrasónica (verde) Una nanopartícula cónica (de color dorado) en agua. La partícula se expone a una onda ultrasónica (las flechas verdes indican la dirección de propagación de la onda). Cuando el ultrasonido golpea la partícula, se crea un campo de flujo en su vecindad (las flechas negras en el fondo muestran la dirección y la fuerza del flujo en varios puntos). El campo de flujo hace que la partícula se impulse en la dirección de la flecha roja. (Imagen: WWU – Grupo de trabajo de Wittkowski)

Las ondas ultrasónicas viajeras son adecuadas como accionamiento

El ultrasonido se usa en nanomáquinas accionadas acústicamente porque es bastante seguro para aplicaciones internas del cuerpo. El primer autor, Johannes Voß, resume la investigación hasta la fecha de la siguiente manera: “Hay muchas publicaciones que describen experimentos. Sin embargo, en estos experimentos, las partículas casi siempre estuvieron expuestas a una onda estacionaria ultrasónica. Esto simplifica considerablemente los experimentos, pero al mismo tiempo hace que los resultados sean menos significativos para posibles aplicaciones, porque entonces se utilizarían ondas ultrasónicas viajeras”.

Esto se debe a que las ondas estacionarias se crean cuando se superponen ondas opuestas.

Lo que los investigadores tampoco han tenido en cuenta hasta ahora es que las partículas pueden moverse en todas las direcciones en las aplicaciones. Al hacerlo, ignoraron la cuestión de si el forzamiento depende de la orientación de las partículas. En cambio, solo observaron partículas alineadas perpendicularmente a la onda ultrasónica. El equipo de investigación de Münster ahora ha investigado los efectos de la orientación utilizando complejas simulaciones por computadora por primera vez.

Concluyeron que la propulsión de las nanopartículas depende de su orientación. Al mismo tiempo, el mecanismo de accionamiento acústico en las ondas ultrasónicas que viajan funciona tan bien con todas las orientaciones de las partículas, es decir, no solo exactamente perpendiculares a la onda ultrasónica, que estas partículas realmente se pueden usar para aplicaciones biomédicas. Otro aspecto que investigaron los físicos de Münster fue la propulsión que mostraban las partículas cuando eran expuestas a ultrasonidos desde todas las direcciones (es decir, «ultrasonidos isotrópicos»).

Una base para el paso a la aplicación

«Nuestros resultados han demostrado cómo se comportarán las partículas en las aplicaciones y que la unidad tiene las propiedades adecuadas para que las partículas se utilicen realmente en estas aplicaciones», resume Johannes Voß. Raphael Wittkowski agrega: «Hemos descubierto propiedades importantes de las nanopartículas accionadas acústicamente que no se habían estudiado previamente, pero que deben entenderse para permitir el paso de la investigación básica a las aplicaciones planificadas con las partículas».

Los dos investigadores de Münster examinaron partículas en forma de cono porque se mueven rápidamente incluso a baja intensidad ultrasónica, es decir, tienen un impulso eficiente, y también se pueden producir fácilmente en grandes cantidades. Las partículas tienen un tamaño de casi un micrómetro, casi mil nanómetros. A modo de comparación: un glóbulo rojo tiene un diámetro de aproximadamente 7,7 micrómetros. Esto significa que las nanopartículas podrían moverse a través del torrente sanguíneo sin obstruir los vasos sanguíneos más finos.

«El tamaño de partícula se puede seleccionar según la aplicación y el mecanismo de propulsión también funciona con partículas más pequeñas y más grandes», explica Johannes Voß. «Simulamos las partículas en el agua, pero la unidad también es adecuada para otros líquidos y tejidos».

Usando simulaciones por computadora, el equipo examinó sistemas y sus propiedades que no pudieron examinarse en los numerosos experimentos anteriores. Mirando hacia el futuro, Raphael Wittkowski dice: «Un paso importante sería que la investigación experimental se ocupara de estos sistemas».



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