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Light-Powered, Fuel-Free Oscillation, Migration, and Reversible Manipulation of Multiple Cargo Types by Micromotor Swarms

微流控 纳米技术 蜂群(蜜蜂) 光热效应 微型反应器 材料科学 计算机科学 光热治疗 化学 生物化学 植物 生物 催化作用
作者
Jianhua Zhang,Abhrajit Laskar,Jiaqi Song,Oleg E. Shklyaev,Fangzhi Mou,Jianguo Guan,Anna C. Balazs,Ayusman Sen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (1): 251-262 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07266
摘要

Through experiments and simulations, we show that fuel-free photoactive TiO2 microparticles can form mobile, coherent swarms in the presence of UV light, which track the subsequent movement of an irradiated spot in a fluid-filled microchamber. Multiple concurrent propulsion mechanisms (electrolyte diffusioosmotic swarming, photocatalytic expansion, and photothermal migration) control the rich collective behavior of the swarms, which provide a strategy to reversely manipulate cargo. The active swarms can autonomously pick up groups of inert particles, sort them by size, and sequentially release the sorted particles at particular locations in the microchamber. Hence, these swarms overcome three obstacles, limiting the utility of self-propelled particles. Namely, they can (1) undergo directed, long-range migration without the addition of a chemical fuel, (2) perform diverse collective behavior not possible with a single active particle, and (3) repeatedly and controllably isolate and deliver specific components of a multiparticle "cargo". Since light sources are easily fabricated, transported, and controlled, the results can facilitate the development of portable devices, providing broader access to the diagnostic and manufacturing advances enabled by microfluidics.
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