[논문 리뷰] 3-D Printed Swimming Microtori for Cargo Transport and Flow Manipulation

Remmi Baker, Thomas D. Montenegro‐Johnson외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 53인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 자기장 제어를 통해 두 가지 수영 모드—직선 및 원운동—사이를 자율적으로 전환하는 3D 프린팅된 화학적으로 구동되는 마이크로토리의 구현을 보여주며, 수동 입자 운반 및 유체 흐름선을 따라 정렬함으로써 자기 구동 나노막대의 조작이 가능하다. 이 시스템은 형상 프로그래밍된 구동력과 표면 전하 불안정성에 기반하여 프로그래밍 가능한 다중 행동 마이크로수영을 실현하며, 생물학적 화물 운반 및 활성 물질 제어에 잠재적 응용을 가진다.

ABSTRACT

Through billions of years of evolution, microorganisms mastered unique swimming behaviors to thrive in complex fluid environments. Limitations in nanofabrication have thus far hindered the ability to design and program synthetic swimmers with the same abilities. Here we encode multi-behavioral responses in artificial swimmers such as microscopic, self-propelled tori using nanoscale 3D printing. We show experimentally and theoretically that the tori continuously transition between two primary swimming modes in response to a magnetic field. The tori also manipulate and transport other artificial swimmers, bimetallic nanorods, as well as passive colloidal particles. In the first behavioral mode, the tori accumulate and transport nanorods; in the second mode, nanorods align along the tori's self-generated streamlines. Our results indicate that such shape-programmed microswimmers have the potential to manipulate biological active matter, e.g. bacteria or cells.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 3D 프린팅을 활용해 기능성 행동을 프로그래밍 가능한 자율적 다중 반응성 마이크로수영자를 설계 및 제작하기.
• 복잡한 생물학적 수영 행동을 모방하는 데 제한을 초래하는 나노제조 기술의 한계를 극복하기.
• 형상 및 필드 프로그래밍된 마이크로수영자를 활용해 수동 콜로이드 및 자기 구동 활성 물질(예: 이금속 나노막대)을 프로그래밍 가능한 방식으로 활성 조작하기.
• 경계 근처에서 안정된 수영 상태 및 방향 제어의 기원을 설명하는 유체역학 모델 개발하기.
• 생물학적 화물의 표적 전달 및 세포 또는 박테리아와 같은 활성 생물 시스템 제어에의 응용 탐색하기.

제안 방법

• 과산화수소에서 확산형력 구동을 위한 플라티넘 촉매 패치를 갖춘 2광자 리소그래피를 사용해 화학적으로 구동되는 장우스 마이크로토리를 제작하였다.
• 니켈 결합층을 설계하여 자기 반응성을 부여하여 외부 자기장에 의해 토러스 축 방향을 제어할 수 있도록 하였다.
• 자기 전기역학적 구동력을 이용해 표면 슬립 속도를 유도하여, 전기적 반발력과 유체역학적 힘에 의해 경계 위에 부유하는 것을 가능하게 하였다.
• 자기 유도 슬립 속도와 전기적 위치 에너지를 포함한 유체역학 모델을 개발하여 안정된 부유 및 유통 상태를 예측하였다.
• 전하 분포와 경계 상호작용에 기반한 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 수평(직선) 및 기울어진(원운동) 수영 모드 간 전이를 수행하였다.
• 이중 기능성 기능을 입증: (1) 고밀도 나노막대의 직선 운반, (2) 유체 흐름 조작을 통한 나노막대의 스트림라인을 따라 정렬

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3D 프린팅된 마이크로토리는 제어 가능한 전이를 갖는 안정적이고 자율적인 수영을 달성할 수 있는가?
• RQ2 표면 전하 불안정성, 자기 유도 슬립 유량, 경계 상호작용 간의 상호작용이 마이크로토리의 방향 및 운동을 어떻게 규제하는가?
• RQ3 인공 마이크로수영자가 프로그래밍 가능한 방식으로 다른 활성 입자(예: 이금속 나노막대)를 능동적으로 수거, 운반, 조작할 수 있는가?
• RQ4 형상 프로그래밍된 마이크로수영자는 생물학적 활성 물질에서 관찰되는 복잡한 행동(예: 집단 운반 및 정렬)을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 순수한 유체역학 모델이 표면 근처에서 마이크로토리의 안정된 수영 구성 및 방향 전이의 기원을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 2광자 리소그래피로 제작된 토리는 자가 전기역학적 슬립 속도와 전기적 반발력에 의해 대칭성이 자발적으로 깨지고 표면 위에 부유한다.
• 토리는 두 가지 다른 수영 모드 사이를 전환한다: 수평 방향은 직선 운반을 위해, 수직 방향은 원운동 운동을 위해 외부 자기장에 의해 제어된다.
• 직선 모드에서 토리는 고밀도 이금속 나노막대를 능동적으로 수거하고 목표 위치로 운반하여 활성 화물 운반을 실현한다.
• 수직 모드에서 토리는 주변 이금속 나노막대를 자가 생성한 유체 스트림라인을 따라 정렬시켜 활성 물질의 조작이 가능하다.
• 단위 활성도와 이동도를 갖는 시뮬레이션 토리의 경우, 추가 밀도에 따라 떨어지는 높이가 달라지며, 중성 부력 임계점은 ρ = 4.33에서 발생한다.
• 초기 수평이고 전하를 띤 토리는 전기적 토크와 유체역학적 슬립 힘 간의 경쟁으로 안정된 기울기 각도 12°로 수렴한다.