[論文レビュー] Active double emulsions

Babak Vajdi Hokmabad, Kyle A. Baldwin+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Micro and Nano Robotics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ネマチック弾性力と溶解性駆動型運動を活用することで、制御可能で安定したマイクロカプセルの新しいプラットフォームとしてアクティブなネマチック二重エマルジョンを提案する。この系は、自発的対称性の破れとレール回避行動を介して特徴的なサメのヒレ型の蛇行運動を示し、化学的キューとシェルトポロジーによって制御可能であり、合成生物学およびマイクロリアクター向けの動的でチューナブルなマイクロコンテナを実現する。

ABSTRACT

The capability to produce controllable, active microcapsules would present a leap forward in the development of artificial cells, microreactors, and microsensors. One example of inactive microcapsules are double emulsions, or droplets-in-droplets, which have been applied as, e.g., reactive microcontainers, food and drug capsules, cosmetics, optical devices, biotic sensors, and synthetic cell membranes. Despite the wide utility of double emulsions as a platform for synthetic biology and microchemistry, a significant challenge remains in combining activity, stability, and control. Building on the established system of active single emulsions, we propose a new approach to the problem of encapsulation by using active nematic double emulsions, where a solubilization mechanism induces motility and the nematic structure provides stability: we have shown that the nematoelastic force is comparable to hydrodynamic contributions. We observe a peculiar shark-fin meandering motion in quasi-2D driven by spontaneous symmetry breaking and trail-avoidance, which can be controlled or switched via chemical and interfacial guidance and the shell topology.

研究の動機と目的

• 合成生物学およびマイクロケミストリーにおけるアクティブ性、安定性、制御性を併せ持つマイクロカプセルの実現に向けた挑戦に応えること。
• 受動的システムの限界を克服するため、アクティブな運動性と構造的安定性を統合した新しいクラスのアクティブ二重エマルジョンの開発。
• ネマチック弾性力と界面ダイナミクスが、準2次元ドロップレット系における制御可能で自己駆動型の運動を可能にする仕組みを解明すること。
• 化学勾配とシェルトポロジーによる外部からの運動制御と方向切り替えを実証し、プログラマブルな挙動を実現すること。

提案手法

• アクティブ単一エマルジョンを模倣するため、溶解性メカニズムを用いて二重エマルジョンにアクティブな運動性を誘発する。
• 内側のドロップレット内にネマチック液晶構造を設計し、流体力学的力と同等のスケールのネマチック弾性力を生成する。
• ドロップレットのダイナミクスに影響を与え、レール回避行動を可能にするようにシェルトポロジーを設計する。
• 化学勾配を適用して運動の方向を誘導・切り替え可能にし、外部からの制御を実現する。
• 自発的対称性の破れの兆候としてのサメのヒレ型の蛇行運動を観察・特徴づける。
• 準2次元配置における界面力、ネマチック弾性、流体力学的効果の相乗的相互作用を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネマチック二重エマルジョンにおけるネマチック弾性力は、十分に安定で運動性のあるアクティブマイクロカプセルを実現するのに十分な大きさか？
• RQ2 自発的対称性の破れは、どのようにアクティブ二重エマルジョンにおけるサメのヒレ型の蛇行運動を生じさせるか？
• RQ3 化学勾配とシェルトポロジーを用いて、運動の方向をどれほど制御・切り替え可能か？
• RQ4 ネマチック弾性力と流体力学的力の間で、運動の駆動に寄与する相対的な寄与度はいかほどか？

主な発見

• アクティブなネマチック二重エマルジョンにおけるネマチック弾性力は、流体力学的寄与と同等のスケールであり、運動性に顕著な寄与を示していることが判明した。
• 準2次元配置において、自発的対称性の破れとレール回避メカニズムが原因で、特徴的なサメのヒレ型の蛇行運動が出現した。
• 化学勾配とシェルトポロジーにより、外部からの制御と運動方向の切り替えが可能であり、プログラマブルな挙動を実証した。
• ネマチック構造のおかげで安定性が向上し、受動的二重エマルジョンの主要な限界を克服した。
• 界面ダイナミクスとアクティブ力の作用により、外部場を必要としない持続的かつ自己駆動型の運動が実現した。
• 制御された条件下で観察された運動パターンは、再現性があり、合成細胞およびマイクロリアクターへの応用可能性を支持する。