Команда исследователей, возглавляемая Северо-Западным университетом и Политехнической школой во Франции, была удивлена и озадачена, наблюдая, как частица огибает препятствие, а затем прилипает к его обратной стороне. Препятствие, по-видимому, эффективно удерживало частицу в ловушке.

После серии симуляций и экспериментов исследователи разгадали физику, стоящую за этим странным явлением. Три фактора вызвали неожиданное поведение захвата: электростатика, гидродинамика и беспорядочное движение окружающих молекул. Размер препятствия также определял, как долго частица оставалась в ловушке, прежде чем вырваться.

Новые идеи могут быть использованы для совершенствования микрожидкостных приложений и систем доставки лекарств - и те, и другие полагаются на микрочастицы для навигации по сложным, структурированным ландшафтам.

Исследование будет опубликовано 8 марта в журнале Научные достижения.

"Я вообще не ожидала увидеть отлов в этой системе", - сказала Мишель Дрисколл из Northwestern, которая руководила исследованием. "Но улавливание добавляет системе много полезности, потому что теперь у нас есть способ собирать частицы. Такие задачи, как улавливание, смешивание и сортировка, очень трудно выполнять в таких небольших масштабах. Вы не можете просто уменьшить стандартные процессы смешивания и сортировки, потому что при таком ограничении размера срабатывает другая физика. Итак, важно иметь разные способы манипулирования частицами".

Дрисколл - доцент физики в Северо-Западном Вайнбергском колледже искусств и наук. Она руководила исследованием совместно с Блезом Дельмоттом, научным сотрудником Политехнической школы.

Похожие по размеру на бактерии, микророллеры представляют собой синтетические микроскопические частицы, обладающие способностью перемещаться в жидкой среде. Дрисколл и ее команда особенно заинтересованы в микророллерах из-за их способности свободно - и быстро - перемещаться в разных направлениях и их потенциала для перевозки грузов в сложных, ограниченных условиях, в том числе внутри человеческого тела.

Микророллеры в лаборатории Дрисколла изготовлены из пластика с сердечником из оксида железа, что придает им слабое магнитное поле. Поместив микророллеры в герметичную микрокамеру (размером 100 мм на 2 мм на 0,1 мм), исследователи могут контролировать направление их перемещения, манипулируя вращающимся магнитным полем вокруг образца. Чтобы изменить способ перемещения микророллеров, исследователи просто перепрограммируют движение магнитного поля, чтобы оно тянуло микророллеры в разных направлениях.

Но микрофлюидные устройства и человеческое тело - это, конечно, гораздо более сложные ландшафты по сравнению с безликой камерой для отбора проб. Итак, Дрисколл и ее сотрудники добавили препятствия в систему, чтобы увидеть, как микророллеры могут ориентироваться в окружающей среде.

"Для реальных приложений у вас будет не просто эта система с частицами, расположенными в открытом пространстве", - сказал Дрисколл. "Это будет сложный ландшафт. Возможно, вам придется перемещать частицы по извилистым каналам. Итак, мы хотели сначала изучить простейший вариант проблемы: один микророллер и одно препятствие".

Как при компьютерном моделировании, так и в экспериментальных условиях Дрисколл и ее команда добавили цилиндрические препятствия в камеру для образцов. Иногда микророллер без проблем огибал препятствие, но в других случаях он огибал препятствие, а затем оказывался за ним в ловушке.

"Мы наблюдали, как частица перестала двигаться мимо препятствия и как бы застряла", - сказал Дрисколл. "Мы наблюдали одно и то же поведение при моделировании и в экспериментах".

Изменяя параметры в рамках моделирования и анализируя данные, Дрисколл и ее команда обнаружили, что гидродинамика жидкости внутри камеры для образцов создает застойные зоны. Другими словами, вращающийся микророллер заставлял жидкость течь в камере. Но потоки также создавали карманы - в том числе один непосредственно за препятствием, - где жидкость оставалась неподвижной и не вытекала. Когда частица попала в застойную зону, она перестала двигаться и застряла.

Но чтобы достичь застойной зоны, частице пришлось совершить сбивающий с толку разворот. Миновав препятствие, микророллер огибал его, прилипая к его задней стороне. Дрисколл обнаружил, что случайные движения (называемые броуновским движением) молекул внутри жидкости "загоняют" микророллер в зону застоя.

"Крошечные материалы подвержены броуновским флуктуациям", - объяснил Дрисколл. "Жидкость на самом деле не является континуумом, а состоит из отдельных маленьких молекул. Эти молекулы постоянно врезаются в частицу в произвольной ориентации. Если частица достаточно мала, эти столкновения могут сдвинуть ее с места. Вот почему, если вы посмотрите на крошечные частицы под микроскопом, они выглядят так, как будто они немного жонглируют ".

Команда Дрисколла также обнаружила, что размер препятствия определяет, как долго частица будет оставаться в ловушке, прежде чем вырвется наружу. Например, броуновским флуктуациям легче отбросить частицу в область захвата, когда препятствие меньше. Изменяя размер препятствия, исследователи могут увеличить время захвата на порядки.

"Обычно броуновские флуктуации разрушительны для экспериментов, потому что они являются источником шума", - сказал Дрисколл. "Здесь мы можем использовать броуновское движение, чтобы сделать что-то полезное. Мы можем включить этот эффект гидродинамического захвата".