科学家创造出由磁场控制的微观游泳者

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】赖斯大学的科学家已经发现，在由磁场连接和驱动的微米级微粒行进中，最简单的运动形式可能是什么。在化学和生物分子工程师Sibani Lisa Biswal的大米实验室中，研究人员将不同大小的磁化球体放入溶液中。当经受一个“偏心磁场 ”的球体的自组装和较小的球体，由虚拟铰链连接，粗跟踪轨道其较大的伙伴的一侧。从本质上说，小珠复制的运动单臂游泳者做蛙泳。研究人员发现他们可以操纵磁场来指导游泳者每分钟接近一微米的流体。这种能力最终可能使它们适合作为药物运载工具。这一现象是英国皇家化学学会杂志Soft Matter的一篇论文的主题。

由偏心磁场影响的磁性链接粒子制成的单臂单臂游泳运动员移动。赖斯大学的研究人员认为它代表了最简单的运动形式。图片版权：Biswal Lab

Biswal表示：近期对积极的事物和系统表现出集体行为的兴趣很大。我们已经习惯了鸟类群落或细菌群落中的这种现象，但现在我们可以在合成材料中看到它们，这些材料也显示出相互结合的能力，磁场已经成为能够驱动粒子做一些有趣事情的一种方式。水稻校友和主要作者Di（Daniel）Du在研究顺磁性胶体粒子如何对旋转磁场作出反应时发现了游泳者，这是Biswal实验室最近发表的几篇论文的主题。有一天，我意识到他们中的一些人在游泳，我对此非常感兴趣，所以我在低雷诺数下研究了这种特定的运动现象。雷诺数量化了物体在流体中的移动情况。所以如果你看到游泳，这意味着有什么事情发生。

发现在某些情况下，特别是在偏心磁场下，这些微粒会自动组装成游泳者，并且变得动机。偏心意味着旋转磁场的焦点不是胶体的中心，而是围绕其周围移动。在他们的实验中，研究人员发现他们可以通过改变四个电脑控制的电磁铁的电源来控制小颗粒的轨道。颗粒仅通过磁场附着，给予较小的自由度，以类似游泳的运动进行移动，具有长驱动行程和短回程。研究人员称这是蛙泳，因为与人类游泳运动员一样，中风不需要破坏溶液表面。为了保持这个主题，杜称大颗粒“躯干”和小颗粒“武器”。游泳运动员的移动能力使他声称，他们比诺贝尔奖获得者爱德华塞尔赛尔设计的“最简单的游泳运动员”更简单。

一张图片显示了赖斯大学研究人员认为是最简单的运动形式的机制，这是迄今为止发现的一对顺磁颗粒，它们在磁场的帮助下游泳。在右边，手臂的独特轨道是详细的。学分：Biswal Lab

Purcell设计了三个由两个铰链连接的刚性杆的理论装置，每个铰链代表一个自由度，并认为它们是可以“以特定方式移动铰链”的装置的最简单配置。因为我从Purcell的原型中减少了刚性部件的数量，实验和模拟显示，游泳者可以控制多个躯干和胳膊，尽管他们的速度取决于场强和模拟中的布朗运动，在气体和液体中无所不在的随机推拉分子。在多粒子游泳运动员的测试中，有些手臂会比其他手臂稍微偏离躯干。因为这种“手臂碎片”影响了游泳运动员的速度，所以它帮助杜震动了粒子如何响应布朗运动的理论。

只有布朗运动时，我们才会看到这种分裂，通过布朗运动，模拟结果与实验结果相符;有时碎片化会使游泳运动员游泳得更慢，有时更快，没有布朗运动，就会有很大的差异。以前关于“扇贝定理”的研究表明，布朗运动可以通过往复运动影响物体的运动，就像扇贝一样，只是打开和关闭而不会自动推进，但仍然随机移动。Du的游泳运动员的手臂以非互易的方式移动 - 驾驶行程比返回行程长 - 但他表明他们的速度也受到布朗运动的影响。可以将配体或蛋白质附着到大颗粒上，以便传送到细胞或其他生物位置，整个车辆可以用两个90度角的磁性线圈移动，通过这种方式，游泳者可以充当微型机器人。

知识：科学无国界，博科园-科学科普

参考：Soft Matter

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：莱斯大学

编译：光量子

审校：博科园

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