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Quando os físicos direcionaram uma minúscula micropartícula em direção a um obstáculo cilíndrico, eles esperavam que um dos dois resultados ocorresse. A partícula colidiria com o obstáculo ou navegaria ao redor dele. A partícula, no entanto, não fez nenhum dos dois.
A equipe de pesquisadores – liderada pela Northwestern University e pela École Polytechnique na França – ficou surpresa e intrigada ao observar a partícula curvar-se ao redor do obstáculo e depois grudar em sua parte traseira. O obstáculo, ao que parecia, tinha a partícula efetivamente aprisionada.
Após uma série de simulações e experimentos, os pesquisadores desvendaram a física por trás desse estranho fenômeno. Três fatores causaram o comportamento inesperado do aprisionamento: eletrostática, hidrodinâmica e movimento aleatório errático das moléculas circundantes. O tamanho do obstáculo também determinou quanto tempo a partícula permaneceu presa antes de escapar.
Os novos insights podem ser aproveitados para avançar aplicações microfluídicas e sistemas de entrega de drogas – ambos dependem de micropartículas para navegar em paisagens complexas e estruturadas.
O estudo será publicado em 8 de março na revista Avanços da Ciência.
“Eu não esperava ver armadilhas neste sistema”, disse Michelle Driscoll, da Northwestern, que co-liderou o estudo. “Mas a captura adiciona muita utilidade ao sistema porque agora temos uma maneira de coletar partículas. Tarefas como captura, mistura e classificação são muito difíceis de realizar em escalas tão pequenas. Você não pode simplesmente reduzir os processos padrão de mistura e classificação porque um tipo diferente de física entra em ação nesse limite de tamanho. Portanto, é importante ter maneiras diferentes de manipular partículas.”
Driscoll é professor assistente de física na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern. Ela co-liderou o estudo com Blaise Delmotte, pesquisador da École Polytechnique.
Semelhantes em tamanho às bactérias, os microrrolos são partículas microscópicas sintéticas com a capacidade de se mover em um ambiente fluido. Driscoll e sua equipe estão particularmente interessados em microrrolos por sua capacidade de se mover livremente – e rapidamente – em diferentes direções e seu potencial para transportar e entregar cargas em ambientes complexos e confinados, inclusive dentro do corpo humano.
Os microrolos do laboratório de Driscoll são de plástico com núcleo de óxido de ferro, o que lhes confere um campo magnético fraco. Ao colocar os microrolos em uma microcâmara selada (100 milímetros por 2 milímetros por 0,1 milímetros de tamanho), os pesquisadores podem controlar a direção em que se movem manipulando um campo magnético rotativo ao redor da amostra. Para mudar a forma como os microrolos se movem, os pesquisadores simplesmente reprogramam o movimento do campo magnético para puxar os microrolos em diferentes direções.
Mas os dispositivos microfluídicos e o corpo humano são, obviamente, paisagens muito mais complexas em comparação com uma câmara de amostras sem características. Então, Driscoll e seus colaboradores adicionaram obstáculos ao sistema para ver como os microrrolos poderiam navegar no ambiente.
“Para aplicações realistas, você não terá apenas este sistema com partículas em um espaço aberto”, disse Driscoll. “Vai ser uma paisagem complexa. Você pode ter que mover as partículas através de canais sinuosos. Então, queríamos primeiro explorar a versão mais simples do problema: um microrrolo e um obstáculo.”
Tanto nas simulações de computador quanto no ambiente experimental, Driscoll e sua equipe adicionaram obstáculos cilíndricos à câmara de amostras. Às vezes, o microrrolo contornava o obstáculo sem problemas, mas outras vezes ele contornava o obstáculo e ficava preso atrás dele.
“Vimos a partícula parar de passar pelo obstáculo e meio que ficar presa”, disse Driscoll. “Vimos o mesmo comportamento nas simulações e nos experimentos.”
Ao alterar os parâmetros nas simulações e analisar os dados, Driscoll e sua equipe descobriram que a hidrodinâmica do fluido dentro da câmara de amostra criava áreas estagnadas. Em outras palavras, o microrrolo giratório fazia com que o fluido fluísse na câmara. Mas os fluxos também criaram bolsões – incluindo um diretamente atrás do obstáculo – onde o fluido permaneceu parado e sem fluxo. Quando a partícula entrou na área estagnada, ela parou de se mover e ficou presa.
Mas, para alcançar a área estagnada, a partícula teve que realizar uma desconcertante inversão de marcha. Depois de ultrapassar o obstáculo, o microrrolo fez uma curva ao redor dele, ficando preso em sua parte traseira. Driscoll descobriu que os movimentos aleatórios (chamados de movimento browniano) das moléculas dentro do fluido “chutaram” o microrrolo para a área estagnada.
“Pequenos materiais estão sujeitos a flutuações brownianas”, explicou Driscoll. “O fluido não é realmente um contínuo, mas é composto de pequenas moléculas individuais. Essas moléculas estão constantemente colidindo com a partícula em orientações aleatórias. Se a partícula for pequena o suficiente, essas colisões podem movê-la. É por isso que, se você olhar para partículas minúsculas sob um microscópio, eles parecem estar fazendo malabarismos um pouco.”
A equipe de Driscoll também descobriu que o tamanho do obstáculo controla quanto tempo a partícula permanecerá presa antes de escapar. Por exemplo, é mais fácil para as flutuações brownianas lançar a partícula para a região de captura quando o obstáculo é menor. Ao alterar o tamanho do obstáculo, os pesquisadores podem aumentar o tempo de captura em ordens de magnitude.
“Normalmente, as flutuações brownianas são destrutivas para os experimentos porque são uma fonte de ruído”, disse Driscoll. “Aqui, podemos alavancar o movimento browniano para fazer algo útil. Podemos habilitar esse efeito de aprisionamento hidrodinâmico.”
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