Wetenschappers hebben een belangrijke doorbraak in de nanotechnologie bereikt door door licht aangedreven nanorobots te ontwikkelen die in staat zijn bacteriën te jagen, te vangen en te verplaatsen. Met afmetingen van minder dan één micrometer (grofweg 50 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar ) vertegenwoordigen deze kleine machines een sprong voorwaarts in ons vermogen om rechtstreeks met de microscopische wereld te communiceren.
De uitdaging van microscopische manipulatie
In de microbiologie is het beheer van individuele cellen of bacteriën in vloeibare omgevingen lange tijd een hindernis geweest. Traditionele hulpmiddelen zijn veel te omvangrijk om met afzonderlijke micro-organismen te kunnen communiceren zonder hun kwetsbare omgeving te verstoren. Om deze kloof te overbruggen hadden onderzoekers een manier nodig om objecten te verplaatsen op een schaal waarop de zwaartekracht verwaarloosbaar is, maar waarbij vloeistofweerstand en Brownse beweging (de willekeurige beweging van deeltjes) dominant zijn.
De oplossing die is ontwikkeld door Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) omvat het gebruik van licht zelf als brandstof en als stuurmechanisme.
Hoe fotonenterugslag de “microdrones” aandrijft
Het voortstuwingssysteem is gebaseerd op een principe dat bekend staat als fotonenterugslag. De nanorobots zijn uitgerust met plasmonische nanoantennes die licht absorberen en in een specifieke richting uitstralen.
- Het mechanisme: Net als de terugslag die je ervaart bij het afvuren van een kogel, produceert elk foton dat door de antenne wordt uitgezonden een kleine krachtstoot.
- Het resultaat: Omdat deze microdrones een extreem lage massa hebben, zijn deze minuscule krachten voldoende om hoge snelheden en snelle acceleraties te genereren.
- Sturen via polarisatie: In plaats van complexe mechanische onderdelen gebruikt het team de polarisatie van licht om te sturen. De interne antennedraden zijn op natuurlijke wijze uitgelijnd met de polarisatie van het licht, waardoor onderzoekers de oriëntatie van de robot eenvoudig kunnen veranderen door de lichteigenschappen aan te passen.
“Microscopisch reinigen”: bacteriën opvangen en verplaatsen
Het meest opvallende kenmerk van deze nanorobots is hun behendigheid. Ze zijn in staat snelle bochten van 90 graden te maken, waardoor ze microscopisch kleine omgevingen systematisch kunnen scannen.
Volgens hoofdexperimenteel wetenschapper Jin Qin zorgt het vereenvoudigde ontwerp ervoor dat deze robots rechtstreeks in microbiële populaties kunnen opereren en zich bijna gedragen als ‘microscopische reinigingsapparaten’. De robots kunnen:
1. Spreek specifieke bacteriën op.
2. Vang ze op en transporteer ze over een vloeibaar medium.
3. Laat ze los op precieze, vooraf bepaalde locaties.
Zelfs als de robots zware clusters bacteriën vervoeren, behouden ze hun manoeuvreerbaarheid, hoewel hun snelheid enigszins afneemt als gevolg van de extra belasting.
Waarom dit belangrijk is voor de toekomst van de wetenschap
Deze ontwikkeling verschuift de rol van licht in de microscopie van een passief instrument dat wordt gebruikt voor observatie naar een actief instrument dat wordt gebruikt voor manipulatie.
Door de microscopische omgeving te kunnen ‘vormen’ in plaats van er alleen maar naar te kijken, openen deze nanorobots nieuwe deuren op verschillende gebieden:
– Microbiologie: Bestuderen hoe bacteriën met elkaar omgaan door ze in specifieke configuraties te brengen.
– Biomedisch onderzoek: Nauwkeurige toediening of verwijdering van biologische agentia in gecontroleerde omgevingen.
– Microfluïdica: Beheer van de beweging van deeltjes in kleine, op vloeistoffen gebaseerde laboratoriumsystemen.
“Het idee van kleine robotstofzuigers klinkt misschien futuristisch, maar we demonstreren al de fysieke principes die dit mogelijk maken.” — Professor Bert Hecht
Conclusie
Door gebruik te maken van de kracht van lichtterugslag hebben onderzoekers een zeer wendbaar hulpmiddel op nanoschaal gecreëerd dat in staat is om door de microbiële wereld te navigeren en deze te manipuleren. Deze technologie maakt de weg vrij voor ongekende precisie in biologisch onderzoek en microscopisch milieubeheer.
