อุปกรณ์ไมโครสโคปที่ทำจากสิ่งที่เรียกว่าอนุภาคเจนัสสามารถ “ว่ายน้ำ” ผ่านของเหลวได้ด้วยความช่วยเหลือของสนามเทอร์โมอิเล็กทริกที่เกิดจากแสง นักพัฒนาจากมหาวิทยาลัยเทกซัสออสติน สหรัฐอเมริกากล่าวว่าอุปกรณ์ดังกล่าวสามารถเดินทาง 100μm บนเส้นทางตรงได้ภายใน 39 วินาที อาจพบการใช้งานในการตรวจจับทางชีวการแพทย์และการส่งมอบยาที่กำหนดเป้าหมายและไม่รุกราน
อนุภาคเจนัส (Janus) ซึ่งตั้งชื่อตามเทพเจ้า
แห่งการเริ่มต้นและการเปลี่ยนผ่านของโรมันที่มีสองหน้าที่มีชื่อเสียง คือทรงกลมเล็กๆ ที่เคลือบด้วยวัสดุที่แตกต่างกันในแต่ละด้าน ด้วยตัวเลือกการเคลือบที่เหมาะสม อนุภาคดังกล่าวจะทำหน้าที่เป็น “นักว่ายน้ำขนาดเล็ก” ซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงเมื่อวางในสารละลายเคมีและขับเคลื่อนด้วยสนามแสง สนามแม่เหล็ก ไฟฟ้า หรืออัลตราโซนิก
นักว่ายน้ำขนาดเล็กที่ขับเคลื่อนด้วยแสงมีแนวโน้มที่ดีสำหรับการใช้งานภายในร่างกายโดยเฉพาะ เนื่องจากสามารถควบคุมได้จากระยะไกลด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่และเวลาในระดับสูง ข้อเสียเปรียบหลักของพวกเขาคือทิศทางการเดินทางของพวกเขาจะไม่แน่นอนมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปเนื่องจากการเคลื่อนที่แบบบราวเนียนแบบหมุน – การเคลื่อนที่แบบสุ่มของอนุภาคที่แขวนอยู่ในตัวกลาง
การตอบสนองความร้อนด้วยแสงแบบอสมมาตรในการออกแบบ microswimmers Yuebing Zhengและเพื่อนร่วมงานพบวิธีที่จะเอาชนะปัญหานี้ นักวิจัยสร้างนักว่ายน้ำไมโครโดยการคลุมพื้นผิวแก้วด้วยชั้นเดียวของเม็ดพลาสติกโพลีสไตรีนบริสุทธิ์โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการเคลือบแบบหมุน จากนั้นจึงใช้แผ่นฟิล์มทองคำปิดด้านหนึ่งของลูกปัด อนุภาค Janus ที่เป็นผลลัพธ์ถูกกระจายอย่างอิสระในสารละลายในน้ำที่มีสารลดแรงตึงผิวของไอออนบวกที่เรียกว่า CTAC สารลดแรงตึงผิวนี้ทำให้เม็ดบีดมีประจุบวก ในขณะที่ยังนำโมเลกุลไขมันทรงกลมหรือไมเซลล์ของ CTAC เข้าไปในสารละลายพร้อมกับ Cl –ไอออน
แม้ว่าด้านสีทองของอนุภาคเจนัสจะร้อนขึ้น
เมื่อส่องสว่างด้วยแสงเลเซอร์ แต่ด้านที่ไม่เคลือบผิวจะไม่ร้อนขึ้น การไล่ระดับอุณหภูมิทำให้เกิดการกระจายตัวของไมเซลล์ CTAC และ Cl –ไอออน ทำให้สนามไฟฟ้าสร้างขึ้นรอบๆ อนุภาคที่มีประจุ ตามที่Zhihan Chenผู้เขียนร่วมคนแรกของการศึกษากล่าว แรงแบบ opto-thermoelectric นี้มีบทบาทสำคัญในการกำหนดพฤติกรรมของอนุภาค
เปรียบเทียบกับจุลินทรีย์ว่ายน้ำ
เมื่อนักวิจัยส่องสว่างอนุภาคด้วยแสงเลเซอร์ที่ไม่โฟกัส อนุภาคจะว่ายไปในทิศทางของสนามแสงที่สร้างด้วยความร้อนจากแสง เมื่อพวกเขาเปลี่ยนเป็นลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัส อนุภาคจะหมุนในระนาบ การผสมผสานระหว่างการเคลื่อนที่เชิงเส้นและการหมุนจะคล้ายกับการเคลื่อนที่แบบ “วิ่งแล้วพลิกคว่ำ” ของจุลินทรีย์ที่ว่ายน้ำ เช่น แบคทีเรีย E. Coliและสามารถรักษาสมดุลระหว่างแรงลากแบบออปโต-เทอร์โมอิเล็กทริก ออปติคัล และสโตกส์
เพื่อให้อนุภาค Janus เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ถูกต้อง Zheng และเพื่อนร่วมงานได้พัฒนาอัลกอริธึมควบคุมการป้อนกลับเพื่อสลับไปมาระหว่างสถานะการว่ายน้ำและการหมุนของอนุภาค ด้วยการสังเกตอนุภาคอย่างระมัดระวังในแบบเรียลไทม์ นักวิจัยสามารถปรับอัลกอริธึมการควบคุมเพื่อให้อนุภาคหมุนโดยอัตโนมัติทุกครั้งที่เบี่ยงเบนไปจากเส้นทางที่ต้องการ เมื่ออนุภาคปรับตำแหน่งใหม่ อัลกอริธึมจะเปิดใช้งานสถานะการว่ายน้ำอีกครั้ง นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถทำให้อนุภาค Janus เคลื่อนที่เป็นเส้นตรงได้ผ่านการสลับไปมาระหว่างรัฐ พฤติกรรมที่สามารถ
ใช้ประโยชน์จากการส่งยาที่ไม่รุกรานในร่างกาย
ปรับปรุงประสิทธิภาพการนำทางนักวิจัยซึ่งรายงานผลงานของพวกเขาในLight: Science & Applicationsวางแผนที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพการนำทางของไมโครบอทของพวกเขา “ในการศึกษาปัจจุบันของเรา เราแสดงให้เห็นว่านักว่ายน้ำขนาดเล็กขนาด 5 ไมโครเมตรสามารถเคลื่อนย้ายทิศทางได้ไกลกว่า 110 ไมโครเมตรใน 39 วินาที แต่เราต้องการที่จะเพิ่มตัวเลขนี้เป็นสองเท่าและส่งอนุภาคในระยะทางเดียวกันในเวลาเพียง 18 วินาที” เฉินกล่าว “เราสามารถบรรลุเป้าหมายนี้ได้โดยการปรับปรุงเวลาตอบสนองของกล้องถ่ายภาพและชัตเตอร์เลเซอร์ของเราให้ดียิ่งขึ้น”
นักว่ายน้ำไมโครจัดการอนุภาคและเซลล์เดี่ยวทีมงานยังวางแผนที่จะพัฒนาอัลกอริธึมการควบคุมต่อไปเพื่อให้สามารถคัดแยกอนุภาคหลาย ๆ ตัวได้พร้อมกันในขณะที่เพิ่มฟังก์ชันการไม่ชนกันและการปรับเส้นทางให้เหมาะสม
อนุภาค Janus ที่เคลือบครึ่งทองคำและไม่ได้เคลือบผิวที่ศึกษาในงานวิจัยนี้เป็นชนิดที่พบได้ทั่วไป แต่ในอนาคต เจิ้งและเพื่อนร่วมงานหวังว่าจะทำให้เม็ดพอลิสไตรีนทำงานได้โดยการโหลดโมเลกุลขนาดใหญ่ลงบนพื้นผิวที่ไม่เคลือบผิว “กลยุทธ์นี้จะช่วยให้การจัดส่งสินค้ามีประสิทธิภาพและตรงเป้าหมายโดยขับเคลื่อนด้วยแสงโดยสิ้นเชิง” Chen กล่าว
ในงานก่อนหน้านี้ นักวิจัยได้ศึกษาโครงสร้างผลึกเฉพาะของซิลิกอนคาร์ไบด์ที่เรียกว่า 4H-SiC ซึ่งมีข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่เรียกว่า divacancys ข้อบกพร่องเหล่านี้สอดคล้องกับอะตอมของซิลิกอนที่หายไปถัดจากอะตอมของคาร์บอนที่หายไปในโครงผลึกของวัสดุ และมีความคล้ายคลึงกับจุดศูนย์ว่างของไนโตรเจนในเพชร (ซึ่งยังมีเวลาการแยกตัวเป็นเวลานานและถูกใช้เป็น qubits ที่สามารถควบคุมได้โดย แสงที่อุณหภูมิห้อง) ข้อบกพร่องทั้งสองประเภทก่อให้เกิดระบบหลายอิเล็กตรอนที่มีโมเมนตัมเชิงมุมสุทธิหรือการหมุน ซึ่งสามารถจัดแนวขนาน (“1”) หรือขนานกัน (“0”) กับสนามแม่เหล็กที่ใช้ได้
เคล็ดลับใหม่
นักวิจัยในหลายกลุ่มได้สำรวจกลยุทธ์ต่างๆ เพื่อขยายเวลาการแยกส่วนของระบบนี้และระบบอื่นๆ วิธีการทั่วไปวิธีหนึ่งคือการแยกระบบออกจากสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง อีกเทคนิคหนึ่งคือการทำให้วัสดุทั้งหมดบริสุทธิ์ที่สุด ในทางปฏิบัติไม่มีงานใดที่ง่าย และตอนนี้ Awschalom และเพื่อนร่วมงานได้คิดค้นโปรโตคอลที่แตกต่างกันมาก
