MİNYATÜRİZE EDİLMİŞ ROBOTLAR, ENZİMATİK REAKSİYON VEYA ULTRASON İLE BİYOLOJİK SIVILAR YOLUYLA İTİLEBİLİR
Bir enzimle itilen nanorobot: üreazla kaplanmış nanotüpler üre ihtiva eden bir sıvı içinde bir tahrik sistemine dönüşür, çünkü enzim üreyi gaz halindeki ürünleri içine dökülür. Tüpler daima küçük asimetrilere sahip olduklarından, reaksiyon ürünleri akışkan içinde bir jet akımı gibi tüpün dışına iten bir hareket üretirler.
Nanorobotlar ve diğer mini araçlar, bir günlük kontrollü işlemlerde veya farmasötik ajanların vücuttaki istenen bir yere taşınmasında önemli hizmetleri gerçekleştirebilirler. Bununla birlikte, şu ana kadar bu tür mikro ve nanoyüzücüler, kan, sinoviyal sıvı veya göz küresi gibi biyolojik sıvılar vasıtasıyla doğru bir şekilde yönlendirmek zor olmuştur. Stuttgart'taki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsündeki araştırmacılar şimdi küçük yüzen gövdeler için tahrik sistemleri oluşturmak için iki yeni yaklaşım sunuyor. Bir motor durumunda tahrik, ultrasonla salınmasına neden olan kabarcıklar tarafından üretilir.
İlham jet uçaklarından alındı. Jet uçakları yakıt yakarlarken, yanma ünitelerinde açığa çıkan egzozu dışarı atarak ileri doğru hareket ederler. Stuttgart'taki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsündeki araştırmacılar, su altındaki nanorobotları 220 nanometre çapında silisyum dioksitten yapılmış tek cidarlı nanotüp benzeri bir şekilde yapıtılar. Bu özellikteki bir parçacık normalde kendisini sıvılarda itemezler. Bilim adamları, bu nedenle üreyi amonyak ve karbondioksit olarak parçalayan üreaz enzimi ile hem iç yüzeyini hem de dış yüzeyini kapladılar.
Bu şekilde hazırlanan bir nanotüp, üre içeren bir akışkana verilirse, bu üre ürez kaplı iç duvarda parçalanır. Tepkime ürünleri, tüpün içinden bir jet yakıtı gibi dışarı doğru iterek akışkanda bir hareket üretirler. Böyle bir nanoyüzücüler ya bir ucu diğerinden daha incedir ya da üre yüzeyi homojen bir şekilde dağıtılmaz, bu bir itme ile sonuçlanır, böylece mikro yüzücüler ters yönde tahrik uygularlar - bir jet uçağında olduğu gibi. Nanojetler saniyede 10 mikrometre hızlara ulaştı, yani saatte neredeyse dört santimetre.
Dünyadaki en küçük jet motoru
Kuşkusuz, bir kimyasal sürüş gerçekleştirmek için bir nanorobot kaplama hiç de yeni değildir. Bununla birlikte, şimdi sunulan 220 nanometre açılımı ile şimdiye kadar dünyada yapılmış en küçük jet itici tüp sistemini temsil etmektedir. Stuttgart'taki Max Planck Akıllı Sistemler Enstitüsü'ndeki Akıllı NanoBio Cihazları Grubu'nu yöneten Samual Sanchez, "Guinness Rekorlar Kitabı'ndaki önceki kayıtlarımız üç kat daha büyüktü" diye açıklıyor.
Çin'deki Harbin Teknoloji Enstitüsü Nanojet'in bir başka yeni yönü de geliştirilmesine yardım etti: İlk defa kullanılan tüm malzemeler ve reaksiyon ortakları tamamen biyolojik olarak uyumludur. Sanchez; “Bu tür eski kimyasallar, genellikle yüzeyinde hidrojen peroksitin hidrojen ve oksijen moleküllerine ayrılmış metalik bir katalizöre dayanıyor "diyor. İşlemde oksijen kabarcığı oluşur ve ters yönde itki oluşturur. Hem hidrojen peroksit hem de gaz kabarcıkları insan vücudunda kullanıldığında dezavantajlara sahip olurlar. Fakat suda çözünebilen ve bu nedenle kabarcıksız reaksiyon ürünlerine sahip olan üreaz kaplı versiyonda durum böyle değildir. “Urease zaten insan organizmasında gerçekleşiyor” diyor Sanchez.
Araştırmacılar biyouyumluluk özelliğini daha hassas bir şekilde tek tek hücrelere test etmek istiyorlar. Sanchez, “Bu, ilaç moleküllerini varış yerlerine getirmek için tabii ki gerekliydi” diyor.
Kendi rekorunu yenerek: Samuel Sanchez ve araştırmacı ekibi, üreaz kaplamalı nanorobotlar için küçük bir jet motoruna dönüşen tüp, yaklaşık bir açılmaya başladı. 220 nanometre - araştırmacıların Guinness Rekorlar Kitabı'ndaki önceki rekoru yaklaşık üç kat daha büyüktü.
Mini robotlar için ultrasonik motor: Peer Fischer ve araştırmacı ekibi tarafından geliştirilen küp motor, iki farklı ebatta (sarı ve mavi) kabarcıklar için haznelerle donatılmıştır. Bir boyuttaki kabarcıklar, boyuna bölünmüş küboid yüzün yarısında bulunur. Ultrason kabarcıkların salınmasına neden olur. Farklı ebattaki kabarcıklar, farklı eksenlere göre daha güçlü itkiler oluşturarak küboid kendi ekseninde döner.
Salınım yapan kabarcıklar itme sağlar
Belirtilen yaklaşımda hala gaz kabarcıkları istenmemekle birlikte, miniroboslar için tamamen yeni bir itici güç ilkesinin en temel unsurunu oluşturuyorlar. Bununla birlikte, burada gaz kabarcığı sıvıyla serbestçe kabarcıklar oluşturmaz ve bu nedenle organizmaya zarar veremez. Daha ziyade araştırmacılar mikro kabarcıkları bir plastik şerit boyunca küçük silindirik odacıklara yerleştirirler. İleri doğru hareketi sağlamak için, ultrason onları sallayarak gaz kabarcıklarının döngüsel olarak genişleyip daralmasını sağlar. Ultrason ile titreşen kabarcıklar bir tarafı açık olduğu için bu yönde genişlerler. Bu sırada, titreşen kabarcıklar plastik şeridin tersi yönüne itme kuvveti uygularlar. Sözü edilen itici gücü elde etmek için araştırmacılar, polimer şeritlerine hava kabarcıkları paralel birkaç hazne düzenledi.
Dikkat çekici bir özellik: salınmalarına neden olması gereken ses dalgası frekansı küçük kabarcıkların boyutlarına bağlıdır. Kabarcıklar büyüdükçe ilgili rezonans frekansı da o kadar küçük olur. Dikkat çekici bir özellik: salınmalarına neden olması gereken ses dalgası frekansı küçük kabarcıkların boyutlarına bağlıdır. Kabarcıklar büyüdükçe ilgili rezonans frekansı da o kadar küçük olur. Araştırmacılar, yüzücünün saat yönünde ve saat yönünün tersine dönüşümlü olarak döndürülmelerini sağlamak için bu bağlantıyı kullandı. Bunu yapmak için, uzunlamasına bölünmüş dört uzun küboid yüzün iki yarısında farklı boyutlarda baloncuklar yerleştirdiler. Daha sonra bir sıvıda iki farklı ses frekansı kullanıldı ve her biri bir boyuttaki tüm kabarcıkların salınmasına neden oldu. Bu şekilde, bilim adamları, kendi ekseni üzerinde dönmesine neden olan küboid yüzün sadece yarısı üzerinde itkiler üretti. Her biri beş milimetre ölçüsünde uzunlamasına alanlara sahip bu küçük akustik olarak tahrik edilen dönme motoru, süreçte dakikada bin dönüşe kadar ulaşmıştır.
Stuttgart'taki Max Planck Enstitüsünde araştırma yapan ve çalışmada dikkate değer bir rol oynayan Tian Qiu, "Kabarcıkların boyutlarındaki değişim, mini yüzücünün kasıtlı olarak farklı yönlerde yönlendirilmesini sağlıyor" dedi. Qiu'ya göre, yeni tahrik prensibinin bir diğer yararı, karmaşık geometrik yapıya sahip yüzücüler bile kabarcıklar için haznelerle birlikte ince şeritlerle kaplanabilmesidir. Ultrason kullanımının aynı zamanda kan gibi optik olarak aşılması uygun olmayan yerlerde bile kullanılabilir. Mikro sürücüler için potansiyel bir kontrol aracı olan ışık dalgaları, bu durumda hiçbir şey yapamaz. Araştırmacılar şimdi, yeni tahrik ilkesinin uygulamadaki avantajlarından en iyi şekilde yararlanıp yararlanamayacağını kontrol etmek için gerçek biyolojik alanlarda testler yapmak istiyorlar.
Daha fazla bilgi için: Xing Ma et al. Bubble-Free Propulsion of Ultrasmall Tubular Nanojets Powered by Biocatalytic Reactions, Amerikan Kimya Derneği Dergisi (2016). DOI: 10. 1021 / jacs. 6b06857
Çeviri: Celal DEMİRTAŞ
Yayınlama tarihi: 15.02.2017