Vědci učinili významný průlom v nanotechnologii vyvinutím světlem řízených nanorobotů, kteří dokážou lovit, zachytávat a přemisťovat bakterie. Tyto drobné stroje o velikosti méně než jeden mikrometr – asi 50krát menší než průměr lidského vlasu – představují kvantový skok v naší schopnosti přímo interagovat s mikroskopickým světem.
Problém mikroskopické manipulace
V mikrobiologii kontrola jednotlivých buněk nebo bakterií v tekutých médiích zůstávala dlouho výzvou. Tradiční nástroje jsou příliš objemné na to, aby interagovaly s jednotlivými mikroorganismy, aniž by narušily jejich křehké prostředí. K překonání této bariéry potřebovali vědci způsob, jak pohybovat objekty na vahách, kde je gravitace zanedbatelná, ale dominuje odpor tekutiny a Brownův pohyb (náhodný pohyb částic).
Řešení vyvinuté na Univerzitě Julia Maximiliana ve Würzburgu (JMU) spočívá v použití samotného světla jako paliva i ovládacího mechanismu.
Jak zpětný ráz fotonů pohání „mikro drony“
Pohonný systém je založen na principu známém jako fotonový zpětný ráz. Nanoroboti jsou vybaveni plasmonickými nanoanténami, které absorbují světlo a vyzařují ho v určitém směru.
- Mechanismus: Podobně jako při zpětném rázu kulky, každý foton emitovaný anténou vytváří nepatrný “tlak” síly.
- Výsledek: Vzhledem k tomu, že tyto mikro drony mají extrémně nízkou hmotnost, tyto nepatrné síly stačí k dosažení vysokých rychlostí a rychlé akcelerace.
- Kontrola polarizace: Místo složitých mechanických částí používá tým k manévrování polarizaci světla. Vnitřní dráty antény se přirozeně vyrovnávají s polarizací světla, což umožňuje výzkumníkům změnit orientaci robota jednoduše úpravou vlastností světelného paprsku.
“Mikroskopické čištění”: zachycení a přesun bakterií
Nejnápadnějším rysem těchto nanorobotů je jejich manévrovatelnost. Jsou schopny provádět ostré otáčky o 90 stupňů, což jim umožňuje systematicky skenovat mikroskopický prostor.
Podle vedoucího výzkumníka Jin Qinga umožňuje zjednodušený design těmto robotům pracovat přímo v mikrobiálních populacích a chovat se téměř jako „mikroskopická čisticí zařízení“. Roboti mohou:
1. Vystopujte konkrétní bakterie.
2. Zachyťte a transportujte je přes kapalné médium.
3. Uvolněte je na přesných, předem určených místech.
I když roboti převážejí velké množství bakterií, zůstávají ovladatelní, i když jejich rychlost je mírně snížena kvůli zvýšené zátěži.
Proč je to důležité pro budoucnost vědy
Tento vývoj mění roli světla v mikroskopii z pasivního nástroje pro pozorování na aktivní nástroj pro manipulaci.
Díky schopnosti „tvarovat“ mikroskopické prostředí spíše než ho jen pozorovat, tito nanoroboti otevírají nové dveře v několika oblastech:
– Mikrobiologie: Studie o tom, jak bakterie interagují tím, že je přesouvají do specifických konfigurací.
– Biomedicínský výzkum: Přesné dodání nebo odstranění biologických látek za kontrolovaných podmínek.
– Mikrofluidika: Řízení pohybu částic v malých laboratorních systémech na bázi kapalin.
“Myšlenka malých čisticích robotů může znít futuristicky, ale již předvádíme fyzikální principy, které to umožňují.” — Profesor Bert Hecht
Závěr
Pomocí síly zpětného rázu světla vytvořili výzkumníci vysoce manévrovatelný nástroj v nanoměřítku schopný pohybovat a manipulovat mikrosvětem. Tato technologie otevírá cestu k bezprecedentní přesnosti v biologickém výzkumu a manipulaci s mikroskopickým prostředím.
