Как учёные научились управлять микророботами-медузами из ферромагнитной жидкости с помощью света

В мире, где размеры имеют значение, ученые неустанно ищут способы манипулировать объектами на микро- и наноуровне. Особый интерес представляют капли жидкости — крошечные, податливые и способные к удивительным трансформациям. В статье, опубликованной в журнале Science Advances, группа исследователей из Германии, Китая и Кореи представила революционный метод управления движением капель, открывающий новые горизонты в микроробототехнике.

До недавнего времени манипуляции с каплями ограничивались преимущественно двухмерным пространством. Перемещение капель в трех измерениях, особенно коллективное, оставалось труднопреодолимым барьером. Авторы статьи предложили элегантное решение, основанное на синергии двух физических явлений — магнетизма и фототермического эффекта.

В основе технологии лежат капли феррофлюида — коллоидного раствора наночастиц магнетита в масле. Эти капли, подобно микроскопическим компасам, чутко реагируют на внешнее магнитное поле, меняя свою форму и пространственную ориентацию.

Новшество заключается в использовании инфракрасного лазера, который, воздействуя на феррофлюидные капли, вызывает в них локальный нагрев. В результате возникает эффект Марангони — термокапиллярное течение, возникающее из-за разницы поверхностного натяжения на границе раздела фаз с разной температурой. Под действием этого течения капли начинают двигаться. Более того, нагрев приводит к расширению микроскопических пузырьков воздуха внутри капель, увеличивая их плавучесть и способствуя подъему.

Ученые продемонстрировали, как, варьируя параметры магнитного и светового полей, можно управлять движением капель с исключительной точностью. Капли послушно двигались по сложным трехмерным траекториям, преодолевая препятствия и выполняя различные задачи.

Например, исследователи смогли разделить каплю на несколько более мелких, а затем, выборочно управляя ими с помощью лазера, переместить их в заданные точки пространства. Это открывает захватывающие перспективы для адресной доставки лекарств и создания микросборок.

Не менее впечатляющими оказались результаты экспериментов с коллективным управлением каплями. Под воздействием магнитного поля капли самопроизвольно собирались в цепочки, слои или столбцы. Включение лазера заставляло эти структуры подниматься, левитировать и перемещаться в пространстве.

В качестве демонстрации практического потенциала своей разработки авторы статьи создали микророботов, напоминающих медуз. Эти роботы, состоящие из капли феррофлюида, заключенной в гидрогелевую оболочку, могли плавать и перемещаться под действием света, как в воде, так и на ее поверхности.

По мнению авторов, их открытие — важный шаг на пути к созданию нового поколения миниатюрных роботов, способных работать в труднодоступных средах.

Несмотря на то, что технология находится на ранней стадии разработки, она уже сейчас поражает своей элегантностью и потенциалом. Сочетание магнетизма и света открывает перед учеными уникальные возможности для управления материей на микроуровне, приближая нас к созданию настоящих чудес нанотехнологий.