科學家創造出由磁場控制的微觀「游泳者」

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】賴斯大學的科學家已經發現，在由磁場連接和驅動的微米級微粒行進中，最簡單的運動形式可能是什麼。在化學和生物分子工程師Sibani Lisa Biswal的大米實驗室中，研究人員將不同大小的磁化球體放入溶液中。當經受一個「偏心磁場 」的球體的自組裝和較小的球體，由虛擬鉸鏈連接，粗跟蹤軌道其較大的夥伴的一側。從本質上說，小珠複製的運動單臂游泳者做蛙泳。研究人員發現他們可以操縱磁場來指導遊泳者每分鐘接近一微米的流體。這種能力最終可能使它們適合作為藥物運載工具。這一現象是英國皇家化學學會雜誌Soft Matter的一篇論文的主題。

由偏心磁場影響的磁性鏈接粒子製成的單臂單臂游泳運動員移動。賴斯大學的研究人員認為它代表了最簡單的運動形式。圖片版權：Biswal Lab

Biswal表示：近期對積極的事物和系統表現出集體行為的興趣很大。我們已經習慣了鳥類群落或細菌群落中的這種現象，但現在我們可以在合成材料中看到它們，這些材料也顯示出相互結合的能力，磁場已經成為能夠驅動粒子做一些有趣事情的一種方式。水稻校友和主要作者Di（Daniel）Du在研究順磁性膠體粒子如何對旋轉磁場作出反應時發現了游泳者，這是Biswal實驗室最近發表的幾篇論文的主題。有一天，我意識到他們中的一些人在游泳，我對此非常感興趣，所以我在低雷諾數下研究了這種特定的運動現象。雷諾數量化了物體在流體中的移動情況。所以如果你看到游泳，這意味著有什麼事情發生。

發現在某些情況下，特別是在偏心磁場下，這些微粒會自動組裝成游泳者，並且變得動機。偏心意味著旋轉磁場的焦點不是膠體的中心，而是圍繞其周圍移動。在他們的實驗中，研究人員發現他們可以通過改變四個電腦控制的電磁鐵的電源來控制小顆粒的軌道。顆粒僅通過磁場附著，給予較小的自由度，以類似游泳的運動進行移動，具有長驅動行程和短回程。研究人員稱這是蛙泳，因為與人類游泳運動員一樣，中風不需要破壞溶液表面。為了保持這個主題，杜稱大顆粒「軀幹」和小顆粒「武器」。游泳運動員的移動能力使他聲稱，他們比諾貝爾獎獲得者愛德華塞爾賽爾設計的「最簡單的游泳運動員」更簡單。

一張圖片顯示了賴斯大學研究人員認為是最簡單的運動形式的機制，這是迄今為止發現的一對順磁顆粒，它們在磁場的幫助下游泳。在右邊，手臂的獨特軌道是詳細的。學分：Biswal Lab

Purcell設計了三個由兩個鉸鏈連接的剛性桿的理論裝置，每個鉸鏈代表一個自由度，並認為它們是可以「以特定方式移動鉸鏈」的裝置的最簡單配置。因為我從Purcell的原型中減少了剛性部件的數量，實驗和模擬顯示，游泳者可以控制多個軀幹和胳膊，儘管他們的速度取決於場強和模擬中的布朗運動，在氣體和液體中無所不在的隨機推拉分子。在多粒子游泳運動員的測試中，有些手臂會比其他手臂稍微偏離軀幹。因為這種「手臂碎片」影響了游泳運動員的速度，所以它幫助杜震動了粒子如何響應布朗運動的理論。

只有布朗運動時，我們才會看到這種分裂，通過布朗運動，模擬結果與實驗結果相符;有時碎片化會使游泳運動員游泳得更慢，有時更快，沒有布朗運動，就會有很大的差異。以前關於「扇貝定理」的研究表明，布朗運動可以通過往複運動影響物體的運動，就像扇貝一樣，只是打開和關閉而不會自動推進，但仍然隨機移動。Du的游泳運動員的手臂以非互易的方式移動 - 駕駛行程比返回行程長 - 但他表明他們的速度也受到布朗運動的影響。可以將配體或蛋白質附著到大顆粒上，以便傳送到細胞或其他生物位置，整個車輛可以用兩個90度角的磁性線圈移動，通過這種方式，游泳者可以充當微型機器人。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Soft Matter

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：萊斯大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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