新方法使用紫外线来控制流体流动并组织颗粒

一种新的，简单且廉价的方法，使用紫外线来控制颗粒在液体中的运动和组装，可以改善药物输送，化学传感器和流体泵。该方法鼓励颗粒 - 从塑料微珠，细菌孢子到污染物 - 在液体中的特定位置聚集和组织，并且如果需要，移动到新的位置。描述这种新方法的论文发表在Angewandte Chemie期刊上。

“与传感器，药物输送和纳米技术相关的许多应用需要精确控制流体的流动，”宾夕法尼亚州立大学化学杰出教授，该论文的高级作者Ayusman Sen说。“研究人员已经制定了许多策略，包括纳米马达和流体泵，但在这项研究之前，我们没有一种简单的方法来收集特定位置的粒子，以便它们可以执行有用的功能，然后将它们移动到一个新位置，以便他们可以再次执行该功能。

“例如，你想建立一个传感器，以检测污染物的颗粒，或水样中的细菌孢子，”Sen说。“通过这种新方法，我们可以简单地添加金或二氧化钛的纳米颗粒，并发光鼓励污染物颗粒或孢子聚集。通过将它们集中在一个地方，它们变得更容易被发现。而且因为光很容易操纵，我们有很高的控制力。

正如污染物颗粒可以在特定位置聚集一样，该方法可以用于收集在流体内的特定位置携带有效载荷的二氧化硅或聚合物珠粒，如抗体或药物。

新方法首先涉及将少量二氧化钛或金纳米颗粒添加到液体中，如水，其中还含有较大的目标颗粒，如污染物或携带有效载荷的珠子。在液体中的特定点照射光加热微小的金属纳米颗粒，然后将热量传递给流体。然后温暖的液体在光点上升 - 正如温暖的空气在寒冷的房间里升起 - 更冷的水冲进来填充温水刚刚离开的空间，带来更大的颗粒。

宾夕法尼亚州立大学化学系研究生，该论文的第一作者Benjamin Tansi说：“这会导致较大的粒子在紫外线照射下聚集，形成密集的，组织良好的结构，称为胶体晶体。” “改变光的强度或二氧化钛或金颗粒的数量会改变这一过程发生的速度。”

当光被移除时，较大的颗粒随机地扩散通过液体。但是如果光被重新定位，则较大的粒子向新的光点移动，大多数在移动时保持其结构。这种有组织的颗粒的动态组装，拆卸和移动可能对传感和药物输送具有重要意义。

“当使用金纳米粒子时，这个过程最有效，但我们希望找到一种更便宜，更便于使用的替代品，”Tansi说。“我们很高兴地发现这种方法也适用于二氧化钛，这是一种廉价且无害的纳米粒子，用于化妆品和食品添加剂。”

除水外，研究人员还证明了这种方法在十六烷(一种有机液体)中的有效性。

“颗粒通常在咸水或非水环境中组装得非常好，因为所有东西都粘在一起，”Sen说。“但是在这里我们表明颗粒可以在十六烷中使用这种方法组装，这表明我们可以应用这种技术例如，生物流体。据我们所知，这是有机介质中光驱动流体泵送的首次演示。“

由Anna Balazs领导的匹兹堡大学研究小组的成员使用数学模型来描述系统的动态。除了描述粒子如何在系统中移动之外，模型还证实，只需要从紫外线微小的温度变化(小于摄氏度)来诱导流体流动。

研究小组目前正在测试这种方法的局限性，例如，如果粒子可以向上移动到光源，或者该方法可以用于按大小对粒子进行分类。

“我们知道在悬浮液中加热金纳米粒子可以产生流体流动，”Tansi说，“但在这项研究之前，没有人看过这些热驱动的流体流是否可以用来做任何有用的事情。光和二氧化钛很容易控制，我们认为这种方法可以在未来的各种技术中得到应用。例如，依靠这种方法的流体泵可能会取代需要电源的庞大且更昂贵的传统泵或依靠磁力或机械运动来发挥作用。“

除Sen，Tansi和Balazs外，研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学的Matthew Peris和匹兹堡大学的Oleg Shklyaev。这项工作由国家科学基金会资助。