Электрические поля управляли наночастицами через лабиринт, заполненный жидкостью. Этот новый метод может улучшить системы доставки и очистки лекарств.

Дома, в лаборатории и на фабрике, электрические поля технологии контроля, такие как дисплеи Kindle, медицинские диагностические тесты и устройства, очищающие лекарства от рака. В электрическом поле все, что имеет электрический заряд — от отдельного атома до крупной частицы — испытывает силу, которую можно использовать, чтобы подтолкнуть его в нужном направлении.

Когда электрическое поле толкает заряженные частицы в жидкости, процесс называется электрофорезом. Наша исследовательская группа изучает, как электрофорез в жгуте перемещать крошечные частицы – так называемые наночастицы – в пористые, губчатые материалы. Многие новые технологии, в том числе используемые в анализе ДНК и медицинской диагностике, используют эти пористые материалы.

Выяснение того, как контролировать крошечные заряженные частицы, когда они путешествуют через эту среду, может сделать их быстрее и эффективнее с помощью существующих технологий. Он также может обеспечить совершенно новые умные функции.

В конечном счете, ученые стремятся заставить подобные частицы служить крошечные нанороботы. Они могут выполнять сложные задачи в нашем теле или в нашем окружении. Они могли искать опухоли и проводить лечение или искать источники токсичные химикаты в почве и превратить их в безвредные соединения.

Чтобы добиться этих успехов, нам необходимо понять, как заряженные наночастицы проходят через пористые губчатые материалы под воздействием электрического поля. В новом исследованииопубликовано 10 ноября 2025 г. в Трудах Национальной академии наук, наша команда из инженеры-исследователи под руководством Анни Ши и Сиамака Мирфендерески стремились сделать именно это.

Слабые и сильные электрические поля.

Представьте себе наночастицу как крошечную подводную лодку, плывущую по сложный, взаимосвязанный, заполненный жидкостью лабиринт одновременно испытывая случайное покачивающееся движение. Наблюдая за движением наночастиц через пористый материал, мы заметил удивительное поведение связано с силой приложенного электрического поля.

Слабое электрическое поле действует только как ускоритель, увеличивая скорость частицы и значительно повышая ее шансы найти выход из полости, но не давая направления – оно быстрое, но случайное.

Напротив, сильное электрическое поле обеспечивает необходимые «координаты GPS», заставляя частицу быстро двигаться в определенном, предсказуемом направлении по сети.

Это открытие было загадочным, но захватывающим, поскольку предполагало, что мы можем контролировать движение наночастиц. Мы могли бы выбрать, чтобы они двигались быстро и хаотично при слабом поле или направленно при сильном поле.

Первый позволяет им эффективно исследовать окружающую среду, а второй идеально подходит для доставки грузов. Это загадочное поведение побудило нас более внимательно посмотреть на то, что слабое поле делает с окружающей жидкостью.

Изучив это явление более внимательно, мы обнаружили причины такого поведения. Слабое поле заставляет застойную жидкость течь случайными вихревыми движениями в крошечных полостях материала. Этот случайный поток усиливает естественное покачивание частицы и подталкивает ее к стенкам полости. Двигаясь вдоль стенок, частица резко увеличивает вероятность найти случайный путь бегства по сравнению с поиском по всему пространству полости.

Однако сильное поле обеспечивает мощный направленный толчок частице. Этот толчок преодолевает естественное покачивание частицы, а также беспорядочный поток окружающей жидкости. Это гарантирует, что частица будет предсказуемо мигрировать вдоль направление электрического поля. Это открытие открывает двери для новых, эффективных стратегий перемещения, сортировки и разделения частиц.

Отслеживание наночастиц

Чтобы провести это исследование, мы интегрировали лабораторное наблюдение с компьютерным моделированием. В ходе эксперимента мы использовали современный микроскоп, чтобы тщательно отслеживать, как отдельные наночастицы движутся внутри идеально структурированного пористого материала, называемого кварцевым инверсным опалом.

Затем мы использовали компьютерное моделирование для моделирования базовой физики. Мы смоделировали случайное покачивающееся движение частицы, электрическую движущую силу и поток жидкости возле стенок.

Объединив эту точную визуализацию с теоретическим моделированием, мы деконструировали общее поведение наночастиц. Мы могли бы количественно оценить эффект каждого отдельного физического процесса, от покачивания до электрического толчка.

Устройства, перемещающие частицы

Это исследование может иметь серьезные последствия для технологий, требующих точного микроскопического транспорта. В них целью является быстрое, точное и дифференциальное движение частиц. Примеры включают доставку лекарств, которая требует руководства.нанокарго» для конкретных тканевых целейили промышленное разделение, что влечет за собой очищающие химикаты и фильтрация загрязнений.

Наше открытие – возможность раздельно управлять скоростью частицы с помощью слабых полей и ее направлением с помощью сильных полей – действует как двухрычажный инструмент управления.

Этот контроль может позволить инженерам разрабатывать устройства, которые применяют слабые или сильные поля для индивидуального перемещения различных типов частиц. В конечном итоге этот инструмент может улучшить более быстрые и эффективные диагностические инструменты и системы очистки.

Что дальше

Мы установили независимый контроль над поиском частиц по скорости и их миграцией по направлению. Но мы до сих пор не знаем полных пределов этого явления.

Остаются ключевые вопросы: каковы верхний и нижний размеры частиц, которыми можно управлять таким образом? Может ли этот метод надежно применяться в сложных, динамичных биологических средах?

Самое главное, нам нужно будет исследовать точный механизм резкого ускорения этих частиц под действием слабого электрического поля. Ответы на эти вопросы необходимы для раскрытия полной точности этого метода контроля частиц.

Наша работа является частью более масштабного научного проекта, направленного на понимание того, как ограничения и границы влияют на движение наноразмерных объектов. Поскольку технологии сокращаются, понимание того, как эти частицы взаимодействуют с близлежащими поверхностями, поможет разработать эффективные крошечные устройства. А при движении через губчатые, пористые материалы наночастицы постоянно сталкиваются с поверхностями и границами.

Коллективная цель наших и других сопутствующие исследования заключается в том, чтобы превратить контроль над крошечными частицами из процесса проб и ошибок в надежную и предсказуемую науку.

Эта статья переиздана с Разговорнекоммерческая независимая новостная организация, предоставляющая вам факты и заслуживающий доверия анализ, которые помогут вам разобраться в нашем сложном мире. Его написал: Дэниел К. Шварц, Университет Колорадо в Боулдере и Анкур Гупта, Университет Колорадо в Боулдере

Читать далее:

Дэниел К. Шварц получает финансирование от Министерства энергетики США, Национального научного фонда и Национальных институтов здравоохранения.

Анкур Гупта получает финансирование от Национального научного фонда и Управления научных исследований ВВС.