Một phương pháp mới sử dụng ánh
sáng cực tím và một lượng nhỏ các hạt nano vàng hoặc titan điôxít để thu thập
các hạt lớn hơn tại điểm sáng. Phương pháp này được sử dụng để thu thập các hạt
polystyrene, tạo thành một cấu trúc được đóng gói tốt gọi là tinh thể keo, như
được mô tả trong hình ảnh này. Ảnh: Phòng thí nghiệm Sen, bang Pennsylvania
"Nhiều ứng dụng liên quan đến cảm biến, phân phối
thuốc và công nghệ nano đòi hỏi phải kiểm soát chính xác dòng chảy của chất lỏng",
Ayusman Sen, Giáo sư Hóa học nổi tiếng tại bang Pennsylvania và tác giả của bài
nghiên cứu cho biết. "Các nhà nghiên cứu đã phát triển một số chiến lược để làm
như vậy, bao gồm cả động cơ nano và bơm chất lỏng, nhưng trước nghiên cứu này,
chúng tôi không có cách dễ dàng để thu thập các hạt tại một vị trí cụ thể để
chúng có thể thực hiện chức năng hữu ích và sau đó di chuyển chúng đến một vị
trí mới để chúng có thể thực hiện lại chức năng.
"Ví dụ, bạn muốn chế tạo một cảm biến để phát hiện
các hạt của chất ô nhiễm hoặc bào tử vi khuẩn trong mẫu nước", giáo sư Sen giải
thích. "Với phương pháp mới này, chúng ta có thể chỉ cần thêm các hạt nano vàng
hoặc titan điôxít và chiếu ánh sáng vào khuyến khích các hạt ô nhiễm hoặc bào tử
tập hợp lại. Bằng cách tập trung chúng vào một điểm, chúng trở nên dễ phát hiện
hơn. Và vì ánh sáng rất dễ thao túng, nên chúng tôi có mức độ kiểm soát cao."
Giống như các hạt ô nhiễm có thể được tập hợp tại
một vị trí cụ thể, phương pháp này có thể được sử dụng để thu thập các hạt
silica hoặc polymer mang tải trọng, như kháng thể hoặc thuốc, tại các vị trí cụ
thể trong chất lỏng.
Phương pháp mới đầu tiên thêm một lượng nhỏ titan
điôxít hoặc hạt nano vàng vào một chất lỏng, như nước, cũng chứa các hạt được
quan tâm có kích thước lớn hơn, như chất ô nhiễm hoặc hạt mang tải trọng. Chiếu
ánh sáng vào một điểm cụ thể trong chất lỏng làm nóng các hạt nano kim loại nhỏ,
và nhiệt sau đó được truyền vào chất lỏng. Chất lỏng ấm hơn sau đó tăng lên tại
điểm sáng - giống như không khí ấm lên trong phòng lạnh - và nước lạnh tràn vào
để lấp đầy không gian mà nước ấm vừa rời khỏi, mang theo những hạt có kích thước
lớn hơn đi cùng.
"Điều này làm cho các hạt lớn hơn thu thập tại điểm
tia UV, nơi chúng hình thành các cấu trúc được tổ chức chặt chẽ, được gọi là
tinh thể keo", Benjamin Tansi, nghiên cứu sinh về hóa học tại bang Pennsylvania
và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết. "Thay đổi cường độ ánh sáng hoặc
lượng titan điôxít hoặc các hạt vàng làm thay đổi tốc độ xảy ra quá trình này."
Khi ánh sáng được loại bỏ, các hạt lớn hơn sẽ khuếch
tán ngẫu nhiên qua chất lỏng. Nhưng nếu ánh sáng được thay thế, các hạt lớn hơn
sẽ di chuyển về phía điểm sáng mới, chủ yếu duy trì cấu trúc của chúng khi chúng
di chuyển. Sự lắp ráp động, tháo gỡ và di chuyển của các hạt có tổ chức này có
thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc cảm nhận và vận chuyển thuốc.
"Quá trình này hiệu quả nhất khi các hạt nano vàng
được sử dụng, nhưng chúng tôi muốn tìm một giải pháp thay thế ít tốn kém hơn và
dễ tiếp cận hơn", Tansi cho biết. "Chúng tôi rất vui khi thấy rằng phương pháp
này cũng hoạt động với titan điôxít, một loại hạt nano rẻ tiền và vô hại được sử
dụng trong mỹ phẩm và làm phụ gia thực phẩm."
Ngoài nước, các nhà nghiên cứu đã chứng minh tính
hiệu quả của phương pháp này trong hexadecane, một chất lỏng hữu cơ.
"Các hạt thường không lắp ráp rất tốt trong môi
trường mặn hoặc không chứa nước vì mọi thứ dính vào nhau", Sen cho biết. "Nhưng
ở đây chúng tôi cho thấy các hạt có thể lắp ráp bằng phương pháp này trong
hexadecane, điều này cho thấy chúng ta có thể áp dụng kỹ thuật này trong chất
lỏng sinh học chẳng hạn. Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là minh chứng đầu
tiên về việc bơm chất lỏng điều khiển bằng ánh sáng trong môi trường hữu cơ. "
Các thành viên của nhóm nghiên cứu tại Đại học
Pittsburgh do Anna Balazs dẫn đầu đã sử dụng các mô hình toán học để mô tả động
lực học của hệ thống. Ngoài việc mô tả cách các hạt di chuyển trong hệ thống,
các mô hình xác nhận rằng chỉ có một thay đổi nhỏ về nhiệt độ - dưới một độ C -
từ ánh sáng cực tím là cần thiết để tạo ra dòng chảy chất lỏng.
Nhóm nghiên cứu hiện đang thử nghiệm các giới hạn
của phương pháp này, ví dụ như liệu các hạt có thể di chuyển lên dốc về phía
nguồn sáng hay không hoặc liệu phương pháp này có thể được sử dụng để sắp xếp
các hạt theo kích thước hay không.
A.T (ScienceDaily)