华沙大学 《自然通讯》论文中提出的新催化机制概述
这种颗粒由二氧化钛制成，带有镀金的半球
它的运动是由外部光照引起的
在绿光下，粒子向金帽移动，但当暴露在紫外光下时，它反转运动方向，向相反的方向移动
学分:UW物理，硕士
斯基 来自华沙大学物理系、苏黎世联邦理工学院和剑桥大学的研究人员已经合成并分析了在流体中自动推进并根据照明光的波长逆转其推进方向的活性微粒
一篇总结他们工作的研究文章最近发表在《自然通讯》上
活性物质包括具有自推进元件的系统，这些元件从环境中吸取能量并将其转化为动能
这是目前物理学中一个活跃的学科，跨越许多时间和长度尺度，涉及到e
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鸟类在群体中的行为(如椋鸟的叫声)、鱼群(作为一种抵御捕食者的保护措施)以及生物膜和其他水生微锥中的细菌
它既注重单个元素的行为，也注重理解它们与环境的能量转换、相互作用和耦合机制，这些机制对生存至关重要，还注重集体效应和大量人口中新现象的出现
从简单的最小粗粒度模型开始，到精确的数值模拟，两者都可以在不同的精度水平上成功描述
细菌、藻类、精子、纤毛虫和其他单细胞生物是活跃游泳者的重要群体
探索它们的动力学的物理基础常常因为它们的巨大多样性、生物复杂性和对外部条件的高度敏感性而变得复杂
然而，水生微生物世界受流体动力学普遍规律的支配，这些规律对所有生物都有限制
由于它们的尺寸很小——通常是几微米——并且游泳速度不超过每秒几十个身体长度，所以它们周围的水流主要由粘性效应控制
这意味着鲨鱼或奥林匹克游泳运动员的游泳策略在微型比赛中完全失败
大尺度游泳是基于惯性和快速向后推动水
在微尺度上，惯性效应可以忽略不计，水的行为就像一种非常粘稠的液体，比如蜂蜜或金糖浆
想象一下在一个充满蜂蜜的游泳池里游泳——爬泳会非常累人，而且非常无效
因此，游动微生物已经设计了基于利用粘性的其他推进策略
细菌通常有螺旋状的鞭毛，它们用鞭毛像开瓶器一样“旋入”液体中
事实证明，在粘性的微观世界中，这种策略允许有效的运动
较大的生物，如纤毛虫(以及其中的草履虫)，身体上覆盖着成千上万的纤毛，类似于微小的毛发
他们以协调的方式移动它们，就像墨西哥人在体育场挥手一样
这允许流体沿着细胞表面被拖动，结果，细胞沿着与纤毛波传播相反的方向推进
对这些机制的理解激发了合成微锥新领域的发展
多年来，在实验室设计微型机器人的设想一直让研究人员兴奋不已，因为微型机器人在诊断、医学和技术方面有着潜在的广泛应用，例如在患者体内靶向给药
从这个角度来看，不仅要设计这样的游泳者，而且要控制他们的运动，这一点至关重要
《自然通讯》论文中骏利粒子的新型双催化自推进机制
这些颗粒由锐钛矿(二氧化钛的一种矿物形式)制成，有一个涂有金的(明亮的)半球，如左上角的电子显微镜插图所示
亮场显微图像是电影中的帧，在电影中，粒子最初表现出自由布朗运动
闪电标志着照明的开始
当紫外光激活第一个催化机制时，粒子就会推进
在(e，I)的示意图中，金色代表涂层半球
(1-1)照明向绿色可见光的变化引起相反方向的运动
比例尺(l)为5微米
学分:UW物理，硕士
斯基 这种机制也在多细胞生物中得到利用
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人肺和生殖道中的纤毛对粘液的运输是必不可少的
它启发了许多游泳者使用扩散渗透现象
为了解释它，考虑一个骏利粒子的例子，灵感来自有两张脸的罗马神
典型的实现是球形微粒，其中一个半球覆盖有金，另一个半球覆盖有铂
当置于过氧化氢(H2O2)溶液中时，铂侧催化过氧化物分解为水和氧
结果，铂半球上该反应产物的浓度增加，浓度不平衡产生沿表面的流动
与游动的纤毛虫相似，流体沿表面的运动导致细胞向相反方向运动
因此，系统局部地将周围环境的化学能转化为自身的动能
其机理是普遍的，关键因素是表面上试剂的浓度不均匀
此外，化学梯度可以由温度或静电势的不平衡来代替
所有这些机制都已在微观系统中得到实验证实
值得注意的是，这些合成游泳者的典型体型和游泳速度与其生物学灵感相当
因此，通过探索人工活性物质，科学家获得了对游泳微观世界的额外见解
已经提出了许多推进机制，并且可用于合成活性物质
挑战仍然是控制游泳者的运动，或者对它进行编程，使它能够到达预定的地方，并完成游泳
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将药物输送到身体的选定部位
或者，它可以由外部刺激控制，例如电磁辐射、电场或磁场、声波或不均匀的温度
华沙大学、苏黎世联邦理工学院和剑桥大学的研究人员最近发表在《自然通讯》上的新论文向这个方向迈出了一步
它展示了新颖的、改进的骏利粒子，在外部光照的影响下在流体中运动，运动方向取决于入射光的波长
直径为3的粒子
5微米由锐钛矿制成，锐钛矿是二氧化钛的多晶型物，一个半球涂有金
当用绿色可见光照射时，粒子向金帽移动，而当暴露在紫外光下时，它们反向移动
粒子是由博士合成的
Hanumantha Rao Vutukuri和教授
苏黎世联邦理工学院的简·韦尔曼特，所有的实验工作都在这里进行
“通过改变光的波长，我们激活了粒子表面不同的催化机制，通过这种机制，我们可以以可控的方式快速控制运动，”博士说
华沙大学物理系的马奇·李西基
“此外，我们看到了非常有趣的集体动力学:粒子可以相互吸引或排斥，这取决于它们的相对方向和照明光的颜色
调整这个，我们观察到快速的聚变和裂变过程，我们可以控制这些过程
" 可转换光响应胶体的聚变和裂变动力学
《自然通讯》论文中描述的新催化粒子动力学中的集体效应
箭头描绘了粒子的运动方向
闪电的颜色描述了照明的类型(蓝色代表紫外线，绿色代表绿色可见光)
融合:导致单个集群形成的集群的时间演变和动态增长
(g-l)裂变:光照改变后，单个粒子产生的流动方向反转，大的团簇爆炸，产生小的粒子岛
(m-p)红色箭头指向二氧化钛半球(粒子的明亮部分)并指示运动方向
(q-t)青色箭头显示在变为绿光照明时的运动方向
比例尺是5微米
信用:自然通信11，2628 (2020) 对这种系统中的运动的描述需要考虑粒子的化学相互作用，尽管它们的表面上产生的试剂的浓度场不均匀，以及它们的存在引起的流体动力流动
允许描述这些新的活性粒子的动力学的理论模型是由Dr
马奇·利西基(华沙)和教授
埃里克·劳加(剑桥)
“在微米大小时，我们认为粒子周围的流体非常粘稠，”马奇·李西基说
“它们的水动力相互作用范围很广
每个粒子的运动都被其他所有粒子感受到
" 长期以来，研究人员一直致力于将扩散电渗法应用于人工游泳和微型泵的合成，他们认为，这种新颖的、可逆的、可控的骏利粒子自推进机制是朝着最终能够在细胞规模上运输货物的更复杂的微型机器人迈出的一步
它还可以通过在悬浮于流体中的活性粒子和活性与非活性胶体混合物的悬浮液中的局部光诱导搅拌来控制微尺度的集体运动
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