Американские физики разработали метод управления структурой систем, состоящих из большого количества полупроводниковых кремниевых частиц в жидкости. Для этого ученые предложили использовать электрокинетические явления — механическое движение частиц в ответ на внешнее электрическое поле. Варьируя частоту поля и структуру микрочастиц, с помощью предложенного подхода их можно собирать в связанные системы, разбирать, перестраивать или перемещать в нужном направлении, пишут ученые в Nature Communications.
Чаще всего для управления движением микрочастицами используют внешнее магнитное поле. Таким способом, например, можно заставить биомедицинских микророботов выполнять простейшие задачи: захватывать объекты нужных частиц или даже убивать раковые клетки. Иногда для возбуждения движения активных микрочастиц используется реактивное движение за счет образования газа в процессе химических реакций. Тем не менее, каждый из этих способов требует от микрочастиц определенных физических или химических свойств. Однако если транспорт веществ и перемещение в пространстве — не основные функции этих частиц, то нужными свойствами они, как правило не обладают, поэтому заставить их двигаться в нужном направлении — задача крайне непростая.
Американские физики под руководством Нана Йокерста (Nan Jokerst) из Университета Дьюка предложили способ управления движением полупроводниковых кремниевых микрочастиц, которые не могут перемещаться за счет внешнего магнитного поля и неспособны к реактивному движению, зато реагируют на изменение электрического поля. Оказалось, что если поместить систему таких частиц в раствор электролита, то их можно заставить самостоятельно собираться, разбираться или изменять свою конфигурацию. Добиться этого можно за счет поляризации во внешнем поле, при этом поведение частиц в жидкости и взаимодействие между собой определяются гидродинамическими свойствами и электрокинетическими явлениями — перемещением в жидкости за счет неравномерного распределения заряда на поверхности.
Ученые рассмотрели шесть видов микрочастиц, для которых в зависимости от частоты может быть характерен один из нескольких различных механизмов перемещения в жидкости. Одна полупроводниковая частица имела размер 10 на 20 микрометров и состояла из двух половинок, на каждую из которых можно было сверху нанести металлический контакт. Эти половинки могли иметь один из двух типов проводимости: электронный (n) или дырочный (p), а выбранный для получения частиц литографический метод позволял получать шесть различных разновидностей частиц. Во-первых, это были частицы, полностью состоящие из полупроводника n-типа с металлическим контактом или без него, а во-вторых — четыре типа частиц с p-n-переходом (без металлического контакта, с одним металлическим контактом на n- или p-половине частицы или с двумя металлическими контактами). Поведение каждого из типов частиц связано со своим электрокинетическим эффектом, который и определяет их взаимодействие и механизм движения в жидкости.
Шесть возможных типов полупроводниковых кремниевых микрочастиц. В верхних углах рисунка приведены микрофотографии частиц в процессе получения
Основных механизма движения таких частиц в жидкости под действием переменного электрического поля два: электрофорез индуцированного заряда и диэлектрофорез. Оба они характерны для изначально незаряженных частиц: под действием внешнего поля частицы поляризуются, в результате чего вокруг них формируется двойной электрический слой, который взаимодействует с внешним полем, приводит к возникновению локальных течений вокруг себя и последующему движению частиц. Однако помимо этих двух эффектов, в диодных частицах, состоящих из p-n-перехода с двумя металлическими контактами, на их гидродинамическом поведении сказывается еще и эффект выпрямления тока через p-n-переход.
Все эти эффекты влияют на взаимодействие между частицами, которые благодаря нему они могут выстраиваться в упорядоченные структуры, сцепляясь либо по граням, либо по углам. Интересно, что каждый из двух эффектов доминирует при определенной частоте внешнего электрического поля, поэтому варьируя ее, можно перестраивать структуру системы, состоящей из частиц определенного типа. Например, p-n-частицы без металлических контактов при частоте 100 герц выстраиваются на определенном расстоянии друг от друга — p-половинка одной частицы напротив n-половинки следующей, а при увеличении частоты в 10 раз, частицы слипаются, также образуя диагональные цепочки. Аналогичные перестроения характерны и для других типов частиц.
Цепочки полупроводниковых микрочастиц в полях различной частоты. Сверху приведены частицы с p-n-переходом без металлических контактов, снизу — с контактом на n-половине частицы.
Ученые отмечают, что контролируя тип частиц и частоту внешнего поля, можно создавать перестраиваемые сети из полупроводниковых микроэлементов: частицы могут двигаться в заданном направлении с нужной скоростью, собираться в упорядоченные системы, разбираться обратно или перестраиваться из одной конфигурации в другую, образуя контакт или, наоборот, разрушая, его.
По словам авторов работы, предложенный ими механизм можно использовать, например, для создания перестраиваемых электронных систем или синтетических нейронных сетей. Кроме того, с помощью такого массива управляемых полупроводниковых частиц можно моделировать естественные процессы, связанные с фазовыми переходами из упорядоченного состояния в разупорядоченное.
Электрофорез и диэлектрофорез — не единственные электрокинетические явления, которые используются учеными для управления движением частиц в жидкостях или управления течением. Так, с помощью электроосмотического течения ученые предлагают делить частицы в микроканалах по размерам. Используя эффекта потенциал течения, китайские химики создали микрофлюидный гидроэлектрогенератор из углеродных нанотрубок. А диффузиофорез позволяет концентрировать частицы в нужных участках и помогает стирать белье.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение