液晶微滴作為多功能微掃描器

大自然中最常見的游泳者是單細(xì)胞生物，例如向光源游動的微藻類和向卵子游動的精子細(xì)胞。對于物理學(xué)家來說，細(xì)胞只是簡單的生化機(jī)器，必須遵守化學(xué)和物理學(xué)中描述得很好的定律。因此，科學(xué)家可以在不調(diào)用生物學(xué)的情況下創(chuàng)造出栩栩如生的游泳微型機(jī)器嗎?

在物理學(xué)家科琳娜·馬斯(Corinna Maass)的帶領(lǐng)下，馬克斯·普朗克動力學(xué)與自組織學(xué)院的“主動軟物質(zhì)”小組致力于從純液體成分中創(chuàng)造出軟模型游泳者。他們最近創(chuàng)造了帶有封閉隔室的穩(wěn)定，自推和可操縱的飛沫游泳者。他們的結(jié)果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。

像細(xì)胞一樣的人工微游泳器可以提供新的令人興奮的應(yīng)用，例如，游泳的微觀藥物傳遞系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自我引導(dǎo)向目標(biāo)器官，然后被人體無害吸收。此外，純物理微泳者可以提供模型來理解控制生物游泳者的物理原理。通過使用最大程度簡化的模型游泳者，CorinnaMaaß和她的小組測試了活細(xì)胞的哪些組件和機(jī)制對于提供特定功能可能是唯一必要的。

“我們的人造細(xì)胞原型必須滿足幾個要求：它們必須自發(fā)地自我推進(jìn);它們必須能夠容納用于運(yùn)輸貨物的隔間或作為化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ);它們必須是可控的，因此我們可以有選擇地選擇它們的操作方式以及在什么條件下放行貨物。”Maaß解釋說。

與她的同事Babak Vajdi Hokmabad和Kyle Baldwin一起，她成功地完成了這一任務(wù)，使用了一個非常簡單的系統(tǒng)：他們生產(chǎn)的油殼包裹了一個或多個內(nèi)部水核或所謂的活性雙重乳液。如果允許這些液滴緩慢地溶解在濃縮的表面活性劑或肥皂溶液中，它們可能會自發(fā)開始運(yùn)動，從某種意義上說，表面活性劑起著支持液滴運(yùn)動直至完全溶解的作用。

穩(wěn)定的液晶滴

通常，這種乳劑在油和水隨時間推移而分解時是不穩(wěn)定的，這種作用在日常生活中可看作是醋汁中的油oil析物。類似地，當(dāng)內(nèi)芯朝液滴邊界掃掠時，活性雙乳化液游動劑一旦移動就容易破裂。通過選擇液晶作為外殼材料，該團(tuán)隊(duì)能夠阻止外殼破裂。

液晶是與普通油以相同方式流動的油，但是油分子以有序的方式排列，這更傾向于將水核置于液滴的中心。如果在運(yùn)動過程中將型芯掃到邊緣，則階次變形會提供一個力，將其向中心輕推。Christian Bahr的數(shù)值模擬表明，這種能壘確實(shí)足以穩(wěn)定外殼。相比之下，研究小組的實(shí)驗(yàn)表明，只有液晶殼能夠保持穩(wěn)定，而由普通油脂制成的殼幾乎在開始游泳后立即破裂。

無核，單核和雙核液滴。信用：©MPIDS / C。馬斯

貓頭鷹飛沫和鋸齒運(yùn)動

然后，穩(wěn)定的貝殼會游動長達(dá)幾個小時，在溶解時會收縮，直到變得太薄并破裂為止。在這段時間里，它們的動作引人入勝-它們不是直線游泳，而是讓人聯(lián)想到魚翅錯綜復(fù)雜的曲折。Babak Vajdi Hokmabad說：“這也可以追溯到基本物理學(xué)。如果核相對于殼的運(yùn)動方向是偏離軸的，它將經(jīng)歷一個扭矩，迫使其彎曲成一條曲線，最終將其引導(dǎo)回到曲面上。它自己的蹤跡。該蹤跡包含用盡的燃料，該燃料再次排斥液滴。扭矩反向，并且液滴的彎曲運(yùn)動也反向。”

此外，該小組證明了這種彎曲行為可以任意關(guān)閉-如果殼體包含兩個核心，則它們圍繞運(yùn)動軸對稱排列。在這種情況下，沒有扭矩，殼體會直線游動。凱爾·鮑德溫說：“在極化顯微鏡下，這些雙核殼的外觀非常像貓頭鷹。”

科學(xué)家想出了更多的方法來引導(dǎo)游泳者-水滴附著在墻上，這樣人們就可以建造一條“水滴鐵路”，并尋找燃料密度更高的區(qū)域。

靈活可操縱的游泳者

這些特性使這些貝殼成為極佳的仿生模型游泳者-它們的大小，速度和可變形性與實(shí)際的生物游泳者相當(dāng)，但沒有任何復(fù)雜的生化成分。它們的運(yùn)動是由基本和優(yōu)雅的物理定律以及自發(fā)性的對稱性決定的，通過控制這些對稱性，研究人員還可以控制游泳行為。

Maaß說：“雙重乳化劑的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，芯不參與運(yùn)動機(jī)理，也不溶解。” “因此，我們可以對其進(jìn)行功能化，以攜帶化學(xué)試劑或蛋白質(zhì)或酶等生物構(gòu)件，并在某個時候真正復(fù)制生命的物理原理。”