DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65482-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495015
تاريخ النشر: 2026-01-06
المؤلف: Jin Gyun Lee وآخرون
الموضوع الرئيسي: الروبوتات الدقيقة والنانوية
نظرة عامة
تقدم هذه الفقرة فئة جديدة من الجسيمات النشطة المستجيبة للمؤثرات التي تحاكي آليات الدفع التكيفية للميكروبات. تم بناء هذه الجسيمات من طبقة مزدوجة من الهيدروجيل المستجيب للحرارة وبوليمر زجاجي غير متورم، مشكّلة في شكل منشورات مستطيلة على مقياس الميكرو. الميزة الفريدة لهذه الجسيمات هي قدرتها على الخضوع لتحولات شكل قابلة للعكس بالكامل استجابةً لتغيرات درجة الحرارة، حيث تنتقل من ألواح مسطحة عند 35 درجة مئوية إلى أشكال هلالية عند 20 درجة مئوية. يرافق هذا التغيير في الشكل تغييرات في الاستقطابية الفعالة، والتي، عند دمجها مع مجالات كهربائية متناوبة، تمكّن أوضاع دفع قابلة للبرمجة مثل الحركات الخطية واللولبية.
تسلط الأبحاث الضوء على إمكانيات هذه الجسيمات النشطة المتغيرة الشكل للدفع التكيفي وإعادة التشكيل، مشيرةً إلى أوجه التشابه مع سلوك الميكروبات مثل *Tetrahymena thermophila*، التي تغير شكلها وأنماط السباحة استجابةً للإشارات البيئية لتعزيز البقاء. بينما كانت أنظمة الجسيمات النشطة التقليدية محدودة بسبب هندستها الصلبة، تُظهر هذه الدراسة تقدمًا كبيرًا في تصميم الأنظمة النشطة على مقياس الميكرو القادرة على الحركة الديناميكية والاستجابة البيئية، مما يفتح آفاقًا للتطبيقات في توصيل الأدوية، واستشعار البيولوجيا، وإزالة التلوث البيئي.
الطرق
في هذه الفقرة، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في الدراسة، مع التركيز على المواد والإعدادات التجريبية المستخدمة في الاستقطاب الكهربائي (DEP) وطيف الامتزاز الكهربائي (EIS). تشمل المواد المستخدمة N,N-diethylacrylamide (DEAM) وحمض الأكريليك (AAc) ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية الأخرى المستمدة من موردين موثوقين، مع توضيح طرق التحضير المحددة لبعض المركبات. تم إجراء تجارب DEP باستخدام جهاز قطب كهربائي متداخل متوازي، حيث حصر حيز من مطاط السيليكون عينة الجسيمات السائلة. تم تصميم الإعداد لضمان النظافة والثبات، مع تنفيذ التحكم في درجة الحرارة لدراسة سلوك PDEAM-BP فوق وتحت درجة حرارة انتقال الطور الحجمي (VPTT).
بالنسبة لتجارب EIS، تم إنشاء فيلم رقيق من PDEAM-BP على ركيزة قطب كهربائي متداخل من خلال تقنية إسقاط القطرات، تلاها الربط بالأشعة فوق البنفسجية. تم موازنة الفيلم في خزان ماء لمحاكاة حالته المائية، وتم إجراء قياسات EIS باستخدام مسح ترددي ثابت الجهد عبر نطاق ترددي محدد. تم تحليل البيانات الناتجة باستخدام نموذج دائرة مكافئة قياسية، والتي تضمنت مكونات تمثل الاستقطاب العازل، وتوصيل الأيونات، والاستقطاب الواجهوي، كما هو موضح في الأشكال التكميلية. يسمح هذا النهج المنهجي الشامل بتوصيف مفصل للخصائص العازلة والموصلة لـ PDEAM-BP.
النتائج
تقدم الدراسة تصنيع وآليات دفع الجسيمات ذات الطبقات المزدوجة المتغيرة الشكل، والتي تم إنشاؤها باستخدام عملية مبسطة مقارنة بالجسيمات التقليدية من نوع جانوس. يتكون الهيكل المزدوج من بوليمر صلب، بولي (p-methyl styrene-co-acrylamidobenzophenone) (PpMS-BP)، وبوليمر مستجيب للحرارة، بولي (N,N-diethylacrylamide-acrylic acid-acrylamidobenzophenone-2-(methacryloyloxy) ethyl rhodamine B) (PDEAM-BP). السلوك الفريد للتورم لـ PDEAM-BP، المتأثر بدرجة حرارة انتقال الطور الحجمي (VPTT)، يمكّن الجسيمات من التحول إلى أشكال مختلفة (مثل الهلال والدونات) استجابةً لتغيرات درجة الحرارة. تُظهر الدراسة أن هذه التحولات الشكلية مدفوعة بتورم مختلف بين طبقتي البوليمر، مما يخلق إجهادات انحناء تسهل عملية التحول.
عند التعرض لمجال كهربائي متناوب، تظهر الجسيمات المتغيرة الشكل سلوكيات دفع مميزة بناءً على تكويناتها. عند درجات حرارة مرتفعة، تتماشى الجسيمات مع المجال الكهربائي وتظهر حركة محدودة، بينما يؤدي التبريد إلى تغييرات في الشكل تعزز الدفع من خلال تفاعلات سائلة غير متكافئة. يُعزى آلية الدفع بشكل أساسي إلى الدفع الكهروكينيتيكي الناتج عن الشحنة المحفزة (ICEP)، حيث تظهر الجسيمات علاقة خطية بين السرعة ومربع قوة المجال الكهربائي المطبق. من الجدير بالذكر أن الجسيمات المتغيرة الشكل تظهر زيادة كبيرة في سرعة الدفع عند درجات حرارة أعلى، على عكس الجسيمات غير المتغيرة الشكل التي تحافظ على سرعة ثابتة. تسلط هذه الدراسة الضوء على إمكانيات استخدام المواد المستجيبة للحرارة لإنشاء أنظمة دفع قابلة للتحكم ديناميكيًا في التطبيقات على مقياس الميكرو.
المناقشة
في هذه الدراسة، بحثنا في السلوك المعتمد على درجة الحرارة للجسيمات الدقيقة ذات الطبقات المزدوجة المتغيرة الشكل المكونة من PDEAM-BP وPpMS-BP، مع التركيز على استقطابها الفعال وديناميات الدفع تحت مجال كهربائي متناوب. تكشف النتائج أنه مع انخفاض درجة الحرارة من 35 درجة مئوية إلى 5 درجات مئوية، ينتقل الاستقطاب الفعال لطبقة PDEAM-BP من الاستقطاب الإيجابي إلى السلبي (DEP)، مع تداعيات كبيرة على حركة الجسيمات. بشكل محدد، فوق درجة حرارة محلول الاستقطاب الحرجة (CPST)، تظهر PDEAM-BP استقطابًا فعالًا أعلى من الوسط المحيط، مما يؤدي إلى DEP إيجابي (Re[CM] = 0.36). على العكس، تحت CPST، تصبح أقل استقطابًا، مما يؤدي إلى DEP سلبي (Re[CM] = -0.15). تبقى طبقة PpMS-BP مستقطبة باستمرار (Re[CM] = 0.03) عبر درجات الحرارة، مما يبرز الدور الحاسم لخصائص المواد في تحديد سلوك الجسيمات.
كما أظهرنا أن الشكل والمسار للجسيمات يمكن التحكم فيهما ديناميكيًا من خلال تعديل درجة الحرارة. من خلال برمجة التغييرات في الشكل والاستقطاب، قمنا بنجاح بتوجيه الجسيمات الفردية، مما يظهر الإمكانية للتلاعب الدقيق في تطبيقات مثل الروبوتات اللينة وتوصيل الحمولة المستهدفة. تؤكد الدراسة على التفاعل بين درجة الحرارة، الاستقطاب المحفز، وهندسة الجسيمات، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن تستكشف بشكل أكبر الاعتماد على التردد ودرجة الحرارة لعامل كلاوزيوس-موسوتي عبر تركيبات المواد المختلفة لتعزيز فهمنا لآليات تشغيل الجسيمات والدفع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65482-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41495015
Publication Date: 2026-01-06
Author(s): Jin Gyun Lee et al.
Primary Topic: Micro and Nano Robotics
Overview
This section introduces a novel class of stimuli-responsive active particles that mimic the adaptive propulsion mechanisms of microorganisms. These particles are constructed from a bilayer of thermoresponsive hydrogel and a non-swelling glassy polymer, shaped into rectangular microscale prisms. The unique feature of these particles is their ability to undergo fully reversible shape transformations in response to temperature changes, transitioning from flat plates at 35 °C to crescent shapes at 20 °C. This shape change is accompanied by variations in effective polarizability, which, when combined with AC electric fields, enables programmable propulsion modes such as linear and helical motions.
The research highlights the potential of these shape-morphing active particles for adaptive propulsion and reconfiguration, drawing parallels to the behavior of microorganisms like *Tetrahymena thermophila*, which alter their shape and swimming patterns in response to environmental cues to enhance survival. While traditional active particle systems have been limited by their rigid geometries, this study demonstrates a significant advancement in the design of microscale active systems capable of dynamic movement and environmental responsiveness, opening avenues for applications in drug delivery, biosensing, and environmental remediation.
Methods
In this section, the methods employed in the study are detailed, focusing on the materials and experimental setups used for Dielectrophoresis (DEP) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). The materials utilized include N,N-diethylacrylamide (DEAM), acrylic acid (AAc), and various other chemicals sourced from reputable suppliers, with specific preparation methods for certain compounds outlined. The DEP experiments were conducted using a coplanar interdigitated electrode device, where a silicone rubber spacer confined the liquid particle sample. The setup was designed to ensure cleanliness and stability, with temperature control implemented to study the behavior of PDEAM-BP above and below its volume phase transition temperature (VPTT).
For the EIS experiments, a thin film of PDEAM-BP was created on an interdigitated electrode substrate through a drop-casting technique, followed by UV crosslinking. The film was equilibrated in a water reservoir to simulate its hydrated state, and EIS measurements were conducted using a potentiostatic frequency sweep across a specified frequency range. The resulting data were analyzed using a standard equivalent circuit model, which included components representing dielectric polarization, ion conductivity, and interfacial polarization, as illustrated in the supplementary figures. This comprehensive methodological approach allows for a detailed characterization of the dielectric and conductive properties of PDEAM-BP.
Results
The study presents the fabrication and propulsion mechanisms of shape-morphing bilayer particles, which are created using a simplified process compared to traditional Janus particles. The bilayer structure consists of a rigid polymer, poly(p-methyl styrene-co-acrylamidobenzophenone) (PpMS-BP), and a thermoresponsive polymer, poly(N,N-diethylacrylamide-acrylic acid-acrylamidobenzophenone-2-(methacryloyloxy) ethyl rhodamine B) (PDEAM-BP). The unique swelling behavior of PDEAM-BP, influenced by its volume phase transition temperature (VPTT), enables the particles to morph into various shapes (e.g., crescent and donut) in response to temperature changes. The study demonstrates that these shape transformations are driven by differential swelling between the two polymer layers, which creates bending strains that facilitate the morphing process.
Upon exposure to an AC electric field, the shape-morphing particles exhibit distinct propulsion behaviors based on their configurations. At elevated temperatures, the particles align with the electric field and display limited motion, while cooling induces shape changes that enhance propulsion through asymmetric fluid interactions. The propulsion mechanism is primarily attributed to induced charge electrokinetic propulsion (ICEP), with the particles demonstrating a linear relationship between speed and the square of the applied electric field strength. Notably, shape-morphing particles show a significant increase in propulsion speed at higher temperatures, contrasting with non-shape-morphing particles that maintain a constant speed. This study highlights the potential of using thermoresponsive materials to create dynamically controllable propulsion systems in micro-scale applications.
Discussion
In this study, we investigated the temperature-dependent behavior of shape-morphing bilayer microparticles composed of PDEAM-BP and PpMS-BP, focusing on their effective polarizability and propulsion dynamics under an AC electric field. The findings reveal that as the temperature decreases from 35 °C to 5 °C, the effective polarizability of the PDEAM-BP layer transitions from positive to negative dielectrophoresis (DEP), with significant implications for particle motion. Specifically, above the critical polarizability solution temperature (CPST), PDEAM-BP exhibits a higher effective polarizability than the surrounding medium, resulting in positive DEP (Re[CM] = 0.36). Conversely, below the CPST, it becomes less polarizable, leading to negative DEP (Re[CM] = -0.15). The PpMS-BP layer remains consistently polarizable (Re[CM] = 0.03) across temperatures, highlighting the critical role of material properties in dictating particle behavior.
We also demonstrated that the shape and trajectory of the particles can be dynamically controlled through temperature modulation. By programming changes in shape and polarizability, we successfully steered individual particles, showcasing the potential for precise manipulation in applications such as soft robotics and targeted cargo delivery. The study underscores the interplay between temperature, induced polarization, and particle geometry, suggesting that future research should further explore the frequency and temperature dependence of the Clausius-Mossotti factor across various material compositions to enhance our understanding of particle actuation and propulsion mechanisms.