[论文解读] Active double emulsions

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

Micro and Nano Robotics被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于活性向列双乳液的新平台，通过利用向列弹性力和增溶驱动的运动性，实现可调控、稳定的微胶囊。该系统通过自发对称性破缺和轨迹回避机制，展现出独特的鲨鱼鳍状蜿蜒运动，其运动可通过化学信号和壳层拓扑结构进行调控，从而为合成生物学和微反应器提供动态、可调的微容器。

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.

研究动机与目标

• 解决在合成生物学和微化学中，微胶囊同时具备活性、稳定性与可控性的挑战。
• 开发一类新型活性双乳液，通过整合主动运动性和结构稳定性，克服被动系统存在的局限性。
• 探究向列弹性力与界面动力学如何在准二维液滴系统中实现受控的自推进运动。
• 展示通过化学梯度和壳层拓扑结构对外部控制运动方向，实现可编程行为。

提出的方法

• 利用增溶机制诱导双乳液产生主动运动，模仿活性单乳液的行为。
• 在内相液滴中构建向列液晶结构，生成与流体动力学力量级相当的向列弹性力。
• 设计壳层拓扑结构以影响液滴动力学，并实现轨迹回避行为。
• 施加化学梯度以引导和切换运动方向，实现外部控制。
• 观察并表征鲨鱼鳍状蜿蜒运动，作为活性向列系统中自发对称性破缺的特征。
• 分析准二维构型下界面力、向列弹性与流体动力学效应之间的相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在向列双乳液中，向列弹性力是否足以提供足够的稳定性和运动性，以实现活性微胶囊？
• RQ2 自发对称性破缺如何导致活性双乳液中鲨鱼鳍状蜿蜒运动的出现？
• RQ3 化学梯度和壳层拓扑结构在多大程度上可用于控制和切换运动方向？
• RQ4 向列弹性力与流体动力学力在驱动活性双乳液运动中的相对贡献如何？

主要发现

• 活性向列双乳液中的向列弹性力在量级上与流体动力学贡献相当，表明其在运动中起着关键作用。
• 由于在准二维构型中自发对称性破缺和轨迹回避机制，出现了独特的鲨鱼鳍状蜿蜒运动。
• 化学梯度和壳层拓扑结构实现了对外部控制和运动方向切换，证明了系统的可编程性。
• 由于向列结构的存在，系统表现出增强的稳定性，克服了被动双乳液的关键局限性。
• 界面动力学与主动力共同导致持久的自推进运动，无需外部场。
• 在受控条件下，观测到的运动模式具有鲁棒性和可重复性，支持其在合成细胞和微反应器中的潜在应用。