快速的纳米机器人有一天可以清理土壤和水运送药物

科罗拉多大学博尔德分校的研究人员发现，被称为“纳米游泳者”的微型自推进粒子可以比其他被动粒子快 20 倍的速度逃离迷宫，为它们在从工业清理到药物输送等各个方面的应用铺平了道路。

本周发表在《国家科学院院刊》上的研究结果描述了这些微小的合成纳米机器人在逃离迷宫般环境中的空腔方面是如何非常有效的。这些纳米游泳者有朝一日可用于修复受污染的土壤，改善水过滤，甚至将药物输送到身体的目标区域，如致密组织内。

“这是对一种全新现象的发现，指出了广泛的潜在应用范围，”该论文的高级作者、化学和生物工程 Glenn L. Murphy Endowed 教授 Daniel Schwartz 说。

Schwartz 表示，这些纳米游泳者大约在 20 年前引起了理论物理学界的注意，人们想象了大量的现实世界应用。但不幸的是，这些有形的应用程序尚未实现，部分原因是很难在相关环境中观察和模拟它们的运动——直到现在。

这些纳米游泳者，也称为 Janus 粒子(以罗马双头神的名字命名)，是由聚合物或二氧化硅组成的微小球形粒子，在球体的每一侧具有不同的化学性质。一个半球促进化学反应的发生，而不是另一个。这会产生一个化学场，使粒子能够从环境中获取能量并将其转化为定向运动——也称为自推进力。

“在生物学和生物体中，细胞推进是导致运动发生的主要机制，然而，在工程应用中，它很少使用。我们的工作表明，我们可以利用自推进做很多事情，”施瓦茨说。

相反，随机移动的被动粒子(一种称为布朗运动的运动)被称为布朗粒子。它们以 19 世纪科学家罗伯特·布朗的名字命名，他研究了悬浮在水中的花粉粒的随机运动等问题。

为了这项研究，研究人员将这些被动布朗粒子转化为 Janus 粒子(纳米游泳者)。然后，他们让这些自走式纳米游泳者尝试穿过由多孔介质制成的迷宫，并比较了与被动布朗粒子相比，他们找到逃生路线的效率和效果。

结果令人震惊，甚至对研究人员来说也是如此。

Janus 粒子在逃离迷宫内的空腔方面非常有效——比布朗粒子快 20 倍——因为它们有策略地沿着空腔壁移动寻找洞，这使它们能够非常迅速地找到出口。他们的自我推进似乎也为他们提供了穿过迷宫内出口孔所需的能量。

“我们知道纳米机器人有很多应用，特别是在非常狭窄的环境中，但我们并不真正知道它们如何移动以及与传统布朗粒子相比有什么优势。这就是我们开始对这两者进行比较的原因，”该论文的第一作者、化学和生物工程研究生吴海超说。“而且我们发现纳米游泳者能够使用一种完全不同的方式来搜索这些迷宫环境。”

虽然这些粒子非常小，大约 250 纳米——仅比人的头发(160 纳米)宽，但仍然比针头(1-2 毫米)小得多——这项工作是可扩展的。这意味着这些颗粒可以在与人体组织一样微观的空间中穿行和渗透，以运送货物和运送药物，也可以穿过地下土壤或沙滩以去除不需要的污染物。

蜂拥而至的纳米游泳者

这一系列研究的下一步是了解纳米游泳者如何在受限环境中成群结队或与被动粒子结合的行为。

“在开放环境中，众所周知，纳米游泳者会表现出紧急行为——行为不仅仅是其各部分的总和——模仿鸟群或鱼群的蜂拥运动。这是研究它们的很大动力，”施瓦茨说。

实现这一目标的主要障碍之一是难以观察和理解这些微小粒子在包含复杂互连空间的材料深处的 3D 运动。

吴通过在多孔介质中使用折射率液体克服了这一障碍，这种液体会影响光穿过材料的速度。这使得迷宫基本上不可见，同时允许使用称为双螺旋点扩散函数显微镜的技术观察 3D 粒子运动。

这使 Wu 能够跟踪粒子的 3D 轨迹并创建视觉表示，这是典型的纳米粒子 2D 建模的重大进步。如果没有这种进步，就不可能更好地了解纳米游泳者个人或群体的运动和行为。

“这篇论文是第一步：它提供了一个模型系统和成像平台，使我们能够回答这些问题，”吴说。“下一步是将这个模型与更多的纳米游泳者一起使用，研究他们如何在有限的环境中相互互动。”

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