Como produzir em massa robôs do tamanho de células: Técnica do MIT pode levar a pequenas, dispositivos autoalimentados para ambientes, industrial, ou acompanhamento médico.

Pequenos robôs do tamanho de uma célula poderiam ser produzidos em massa usando um novo método desenvolvido por pesquisadores do MIT. Os dispositivos microscópicos, que a equipe chama de “syncells” (abreviação de células sintéticas), pode eventualmente ser usado para monitorar as condições dentro de um oleoduto ou gasoduto, ou para procurar doenças enquanto flutua na corrente sanguínea.

Esta foto mostra círculos em uma folha de grafeno onde a folha é colocada sobre uma série de postes redondos, criando tensões que farão com que esses discos se separem da folha. A barra cinza na folha é o líquido usado para levantar os discos da superfície. Imagem: Felice Frankel

A chave para fabricar dispositivos tão minúsculos em grandes quantidades está em um método que a equipe desenvolveu para controlar o processo natural de fraturamento de materiais atomicamente finos., materiais quebradiços, direcionar as linhas de fratura para que produzam bolsas minúsculas de tamanho e formato previsíveis. Embutidos dentro desses bolsos estão circuitos eletrônicos e materiais que podem coletar, registro, e dados de saída.

O novo processo, chamada de “autoperfuração,” é descrito em artigo publicado hoje na revista Materiais da Natureza, pelo professor do MIT, Michael Strano, pós-doutorado Pingwei Liu, estudante de pós-graduação Albert Liu, e outros oito no MIT.

O sistema usa uma forma bidimensional de carbono chamada grafeno, que forma a estrutura externa das minúsculas sincélulas. Uma camada do material é colocada sobre uma superfície, então pequenos pontos de um material polimérico, contendo a eletrônica dos dispositivos, são depositados por uma sofisticada versão de laboratório de uma impressora jato de tinta. Então, uma segunda camada de grafeno é colocada no topo.

Fraturamento controlado

As pessoas pensam em grafeno, um material ultrafino, mas extremamente forte, como sendo “disquete,"mas na verdade é frágil, Strano explica. Mas em vez de considerar essa fragilidade um problema, a equipe descobriu que isso poderia ser usado a seu favor.

“Descobrimos que você pode usar a fragilidade,” diz Estranho, quem é o Carbono P. Dubbs Professor de Engenharia Química no MIT. “É contra-intuitivo. Antes deste trabalho, se você me dissesse que poderia fraturar um material para controlar sua forma em nanoescala, Eu teria ficado incrédulo.”

Mas o novo sistema faz exatamente isso. Ele controla o processo de fraturamento para que, em vez de gerar fragmentos aleatórios de material, como os restos de uma janela quebrada, produz peças de formato e tamanho uniformes. “O que descobrimos é que você pode impor um campo de deformação para fazer com que a fratura seja guiada, e você pode usar isso para fabricação controlada,Estranho diz.

Quando a camada superior de grafeno é colocada sobre a matriz de pontos de polímero, que formam formas pilar redondo, os locais onde as cortinas grafeno sobre as bordas arredondadas dos pilares formam linhas de alta tensão no material. Como Albert Liu descreve, “Imaginar uma toalha de mesa caindo lentamente sobre a superfície de uma mesa circular. Pode-se muito facilmente visualizar a estirpe circular desenvolver na direcção dos bordos de mesa, e isso é muito semelhante ao que acontece quando uma folha plana de grafeno se dobra em torno destes pilares de polímeros impressos.”

Como um resultado, as fraturas se concentram direita ao longo desses limites, Strano diz. “E então algo incrível acontece: O grafeno será completamente fracturar, mas a fratura será guiado em torno da periferia do pilar.”O resultado é um puro, peça redonda de grafeno que se parece como se tivesse sido limpa cortada por um furador microscópica.

Uma vez que existem duas camadas de grafeno, acima e abaixo dos pilares de polímero, os dois discos resultantes aderem às bordas para formar algo como um pequeno bolso de pão pita, com o polímero selado dentro. “E a vantagem aqui é que esta é essencialmente uma única etapa,”em contraste com muitas etapas complexas de sala limpa necessárias para outros processos para tentar fabricar dispositivos robóticos microscópicos, Strano diz.

Os pesquisadores também mostraram que outros materiais bidimensionais além do grafeno, como dissulfeto de molibdênio e boronitrito hexagonal, funciona tão bem.

Robôs semelhantes a células

Variando em tamanho desde o de um glóbulo vermelho humano, sobre 10 micrômetros de diâmetro, até aproximadamente 10 vezes esse tamanho, esses pequenos objetos “começam a parecer e a se comportar como uma célula biológica viva. De fato, sob um microscópio, você provavelmente poderia convencer a maioria das pessoas de que é uma célula,Estranho diz.

Este trabalho dá sequência pesquisa anterior por Strano e seus alunos no desenvolvimento de sincélulas que poderiam coletar informações sobre a química ou outras propriedades de seu entorno usando sensores em sua superfície, e armazenar as informações para recuperação posterior, por exemplo, injetar um enxame dessas partículas em uma extremidade de um pipeline e recuperá-las na outra para obter dados sobre as condições dentro dele. Embora os novos sincronizadores ainda não tenham tantos recursos quanto os anteriores, aqueles foram montados individualmente, Considerando que este trabalho demonstra uma forma de produzir facilmente esses dispositivos em massa.

Além dos usos potenciais dos syncells para monitoramento industrial ou biomédico, a forma como os pequenos dispositivos são feitos é em si uma inovação com grande potencial, de acordo com Albert Liu. “Este procedimento geral de utilização da fratura controlada como método de produção pode ser estendido a muitas escalas de comprimento," ele diz. “[Potencialmente poderia ser usado com] essencialmente qualquer material 2-D de sua escolha, em princípio, permitindo que futuros pesquisadores adaptem essas superfícies atomicamente finas em qualquer formato ou formato desejado para aplicações em outras disciplinas.”

Isto é, Albert Liu diz, “uma das únicas maneiras disponíveis atualmente para produzir microeletrônica integrada e autônoma em grande escala” que pode funcionar como independente, dispositivos flutuantes. Dependendo da natureza da eletrônica interna, os dispositivos poderiam ser fornecidos com capacidades de movimento, detecção de vários produtos químicos ou outros parâmetros, e armazenamento de memória.

Há uma ampla gama de novas aplicações potenciais para esses dispositivos robóticos do tamanho de uma célula, diz estranho, que detalha muitos desses usos possíveis em um livro de sua autoria com Shawn Walsh, um especialista em Laboratórios de Pesquisa do Exército, sobre o assunto, chamado “Sistemas Robóticos e Plataformas Autônomas,” que está sendo publicado este mês pela Elsevier Press.

Como uma demonstração, a equipe “escreveu” as letras M, Eu, e T em uma matriz de memória dentro de uma sincélula, que armazena as informações como níveis variados de condutividade elétrica. Esta informação pode então ser “lida” usando uma sonda elétrica, mostrando que o material pode funcionar como uma forma de memória eletrônica na qual os dados podem ser gravados, ler, e apagado à vontade. Também pode reter os dados sem a necessidade de energia, permitindo que as informações sejam coletadas posteriormente. Os pesquisadores demonstraram que as partículas são estáveis ​​durante um período de meses, mesmo quando flutuam na água., que é um solvente forte para eletrônicos, de acordo com Strano.

“Acho que isso abre um novo kit de ferramentas para micro- e nanofabricação," ele diz.

Daniel Goldmann, professor de física na Georgia Tech, que não esteve envolvido neste trabalho, diz, “As técnicas desenvolvidas pelo grupo do professor Strano têm o potencial de criar dispositivos inteligentes em microescala que podem realizar tarefas em conjunto que nenhuma partícula pode realizar sozinha.”

Fonte:

http://news.mit.edu, por David L. merceeiro