新方法使用紫外線來控制流體流動并組織顆粒

一種新的，簡單且廉價的方法，使用紫外線來控制顆粒在液體中的運動和組裝，可以改善藥物輸送，化學傳感器和流體泵。該方法鼓勵顆粒 - 從塑料微珠，細菌孢子到污染物 - 在液體中的特定位置聚集和組織，并且如果需要，移動到新的位置。描述這種新方法的論文發表在Angewandte Chemie期刊上。

“與傳感器，藥物輸送和納米技術相關的許多應用需要精確控制流體的流動，”賓夕法尼亞州立大學化學杰出教授，該論文的高級作者Ayusman Sen說。“研究人員已經制定了許多策略，包括納米馬達和流體泵，但在這項研究之前，我們沒有一種簡單的方法來收集特定位置的粒子，以便它們可以執行有用的功能，然后將它們移動到一個新位置，以便他們可以再次執行該功能。

“例如，你想建立一個傳感器，以檢測污染物的顆粒，或水樣中的細菌孢子，”Sen說。“通過這種新方法，我們可以簡單地添加金或二氧化鈦的納米顆粒，并發光鼓勵污染物顆粒或孢子聚集。通過將它們集中在一個地方，它們變得更容易被發現。而且因為光很容易操縱，我們有很高的控制力。

正如污染物顆粒可以在特定位置聚集一樣，該方法可以用于收集在流體內的特定位置攜帶有效載荷的二氧化硅或聚合物珠粒，如抗體或藥物。

新方法首先涉及將少量二氧化鈦或金納米顆粒添加到液體中，如水，其中還含有較大的目標顆粒，如污染物或攜帶有效載荷的珠子。在液體中的特定點照射光加熱微小的金屬納米顆粒，然后將熱量傳遞給流體。然后溫暖的液體在光點上升 - 正如溫暖的空氣在寒冷的房間里升起 - 更冷的水沖進來填充溫水剛剛離開的空間，帶來更大的顆粒。

賓夕法尼亞州立大學化學系研究生，該論文的第一作者Benjamin Tansi說：“這會導致較大的粒子在紫外線照射下聚集，形成密集的，組織良好的結構，稱為膠體晶體。” “改變光的強度或二氧化鈦或金顆粒的數量會改變這一過程發生的速度。”

當光被移除時，較大的顆粒隨機地擴散通過液體。但是如果光被重新定位，則較大的粒子向新的光點移動，大多數在移動時保持其結構。這種有組織的顆粒的動態組裝，拆卸和移動可能對傳感和藥物輸送具有重要意義。

“當使用金納米粒子時，這個過程最有效，但我們希望找到一種更便宜，更便于使用的替代品，”Tansi說。“我們很高興地發現這種方法也適用于二氧化鈦，這是一種廉價且無害的納米粒子，用于化妝品和食品添加劑。”

除水外，研究人員還證明了這種方法在十六烷(一種有機液體)中的有效性。

“顆粒通常在咸水或非水環境中組裝得非常好，因為所有東西都粘在一起，”Sen說。“但是在這里我們表明顆粒可以在十六烷中使用這種方法組裝，這表明我們可以應用這種技術例如，生物流體。據我們所知，這是有機介質中光驅動流體泵送的首次演示。“

由Anna Balazs領導的匹茲堡大學研究小組的成員使用數學模型來描述系統的動態。除了描述粒子如何在系統中移動之外，模型還證實，只需要從紫外線微小的溫度變化(小于攝氏度)來誘導流體流動。

研究小組目前正在測試這種方法的局限性，例如，如果粒子可以向上移動到光源，或者該方法可以用于按大小對粒子進行分類。

“我們知道在懸浮液中加熱金納米粒子可以產生流體流動，”Tansi說，“但在這項研究之前，沒有人看過這些熱驅動的流體流是否可以用來做任何有用的事情。光和二氧化鈦很容易控制，我們認為這種方法可以在未來的各種技術中得到應用。例如，依靠這種方法的流體泵可能會取代需要電源的龐大且更昂貴的傳統泵或依靠磁力或機械運動來發揮作用。“

除Sen，Tansi和Balazs外，研究團隊還包括賓夕法尼亞州立大學的Matthew Peris和匹茲堡大學的Oleg Shklyaev。這項工作由國家科學基金會資助。