Micro/nanomotors artificials: Eppur si muove!

El moviment d’objectes microscòpics i nanoscòpics en fluids com l’aigua és un tema complex, però d’enorme interès per les seves aplicacions en medicina i en el medi ambient.

Per a aquests objectes, per als quals qualsevol líquid és molt viscós, la seva inèrcia és irrellevant atès la seva mida reduïda (nombre de Reynolds de l’ordre de 10^-5) i perquè estan sotmesos a fluctuacions tèrmiques, un fenomen conegut com a moviment Brownià, que fa que canviïn constantment la seva posició de manera aleatòria. En el cas de micro/nanomotors artificials, aquests han de capturar l’energia del seu entorn (líquid), sense poder emmagatzemar-la, i l’han de convertir en moviment. Aquesta conversió fa que el sistema estigui fora de l’equilibri, fet que complica la modelització de les seves dinàmiques. Per si això no fos prou, s’hi han d’afegir les interaccions hidrodinàmiques induïdes per altres micro/nanoobjectes en moviment que poden donar com a resultat moviments col·lectius o cooperatius, tal com s’observa en bancs de peixos o en bandades d’ocells. Malgrat tot, aquests diminuts sistemes anomenats micro/nanomotors, micro/nanorobots, micro/nanonedadors (micro/nanoswimmers), etc., aconsegueixen moure’s amb velocitats comparables a les de microorganismes com ara els bacteris o els espermatozous. Així doncs, eppur si muove!

Ens centrarem aquí en els micro/nanomotors artificials que es mouen de manera autònoma, és a dir, autopropulsada, i en absència de qualsevol pertorbació externa (camps elèctrics, magnètics, ultrasons, etc.). Com capten l’energia del seu entorn per moure’s si perquè hi hagi moviment és imprescindible que hi hagi algun tipus d’asimetria? Un micro/nanoobjecte uniforme tan sols es mourà per l’esmentat moviment Brownià (i per efecte del camp gravitatori). Ens fixarem en dos exemples en què he treballat recentment, però òbviament n’hi ha molts més a la literatura especialitzada.

En el primer exemple hem utilitzat el silici, en el qual els micro/nanomotors capten l’energia de la llum solar per moure’s, és a dir, l’acció externa de la llum (visible) permetrà que es moguin dins de l’aigua. Per dur a terme aquest experiment, hem fet servir la tècnica de litografia col·loidal per fabricar uns nanobastonets (nanorods) de silici amb longituds d’1-2 micres i diàmetres de 100-300 nm i, després, la meitat de cada nanorod s’ha recobert amb una capa nanomètrica d’or o platí (uns 20 nm de gruix). Posteriorment, hem observat que quan aquests micro/nanomotors es dispersen en aigua pura de laboratori (MilliQ) i s’il·luminen amb llum solar, es mouen per reaccions químiques tipus redox que esdevenen a les superfícies del silici i del metall. També hem notat que, en aquest cas, les interfases sòlid/líquid són extremadament rellevants, perquè els fotons de la llum exciten electrons de la banda de valència a la banda de conducció del silici, que són transportats al metall. D’aquesta manera la càrrega positiva del silici (hole) i l’electró del metall fan que les superfícies corresponents actuïn com a oxidant i reductor de l’aigua produint un gradient de protons a la superfície del micro/nanomotor, gradient que genera un camp elèctric, el qual indueix el moviment (aquest fenomen s’anomena electroforesi).

El segon exemple de micro/nanomotors està basat en el Nafion, un polímer molt utilitzat com a membranes en piles de combustible (fuel cells). En aquest cas, l’asimetria s’assoleix amb el creixement de micro/nanopartícules de diferents materials sobre nanorods de Nafion per litografia col·loidal amb atac iònic (reactive ion etching). El moviment dels micro/nanomotors s’aconsegueix per l’intercanvi dels ions de l’aigua (Na⁺, K⁺…) amb protons (H⁺) del Nafion, intercanvi que origina un camp elèctric tan sols a la interfase aigua/Nafion i no a les nanopartícules. Aquesta asimetria en el camp elèctric autogenerat és el que indueix el moviment, ja que el motor busca zones on poder continuar amb l’intercanvi iònic.

Aquest sistema és molt interessant perquè podria tenir aplicacions en la purificació de l’aigua, pel fet que el moviment és més efectiu quan s’intercanvien ions divalents (cadmi, Cd²⁺), un contaminant molt comú a l’aigua, perquè els ions contaminants acceleren el moviment dels micro/nanomotors induint la seva eliminació efectiva (més del 90%) [1]. A més a més, aquests micro/nanomotors mostren un comportament col·lectiu molt interessant, ja que la velocitat augmenta amb el nombre de micro/nanomotors que s’ajunten i les bandades de micro/nanomotors (clústers) que es formen arrosseguen micro/nanomotors aïllats per forces hidrodinàmiques i, al mateix temps, capturen contaminants micromètrics (nanoplàstics) que es troben a l’aigua. Vegeu el vídeo que vam publicar en el nostre article “Collective motion of Nafion-based micromotors in water” [2] de com actuen:

A aquests dos exemples caldria afegir la llarga llista d’altres treballs publicats a la literatura científica utilitzant, per exemple, la fotocatàlisi amb llum visible, la propulsió per generació de microbombolles, diferents tipus de difusió, etc. Cal dir que, un cop s’aconsegueix el control del moviment dels micro/nanomotors, se n’augmenta el grau de complexitat per tal de donar-los noves funcionalitats per aconseguir accions específiques, com per exemple la de capturar, transportar i alliberar microorganismes o la de dotar els micro/nanomotors de parts magnètiques (amb nanopartícules de ferro) per tal d’induir externament hipertèrmia (escalfament local per matar cèl·lules canceroses). L’activitat en aquest camp, conegut també com a matèria activa o intel·ligent, és extraordinària. Les referències [3] i [4] (en obert) ens donen una visió actual prou àmplia de l’activitat desenvolupada.

En resum, la comunitat científica es va apropant a la proposta visionària de R.P. Feynman, que va suggerir la possibilitat d’introduir objectes autònoms dintre del cos humà per tal de curar malalties: swallow the surgeon (empassar-se el cirurgià!).

BIBLIOGRAFIA

[1] Esplandiu, M.J., Reguera, D., Romero-Guzmán, D. et al. “From radial to unidirectional water pumping in zeta-potential modulated Nafion nanostructures”, Nat Commun 13, 2812 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30554-7

[2] Fraxedas, J., Reguera, D., Esplandiu, M.J. “Collective motion of Nafion-based micromotors in water”, Faraday Discussions of Royal Society of Chemestry 249 (2024)

[3] Ruiz-González, N., Esporrín-Ubieto, D., Il-Doo Kim, Wang, J., Sánchez, S. “Micro- and Nanomotors: Engineered Tools for Targeted and Efficient Biomedicine”, ACS Nano 2025 19 (9), 8411-8432, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c12726

[4] Vrugt, M. te, Wittkowski, R. “Metareview: a survey of active matter reviews”, Eur. Phys. J. E 48, 12 (2025). https://doi.org/10.1140/epje/s10189-024-00466-z

Lectura recomanada: https://en.wikipedia.org/wiki/Microswimmer