Movement at the nanoscale: Catalytically and light driven micromotors

Abstract

Durante la ultima decada la creación de movimiento a la escala micro y nano ha evolucionado mucho y se ha convertido en un campo que connecta varias disciplinas de la ciencia. En su breve historia han sido la engeneria y la quimica las disciplinas leaderes, pero hoy en dia muchos impulsos vienen de la ciencia de materiales y la biotecnologia. Esta tesis comienca con un breve resumen de la base fisica, los diferentes tipos de motores y los mecanismos de propulsión y muy en seguida llega al uso de enzimas para generar movimiento. Como material para los motores nos hemos centrado en la silica, debido a sus propriedades unicas como la facilidad de modificarla, introducir funcionalidades y su toxicidad baja que facilita futures aplicaciones en ambitos biologicos. Por ello en el primer paso se sintetizaron diferentes tipos de particulas y se desarollaron hierramientas como la funcionalización de la superficie, la imobilización de materia catalitica (platino o enzimas) y la aplicación de moleculas como el ADN. Todo este conocimiento se combinó en el desarollo de una prueba de concepto de un sensor de ADN, baseado en la detección de movimiento. El motor que formó la base de este sensor se podia guardar durante un tiempo, pero al mismo momento se mostró muy sensible a temperaturas elevadas y un medio oxidante. Por ello optamos por mejorar el tiempo de vida de este tipo de motor baseado en enzimas, tal como su capacidad de ser reutilizado. Esto se conseguió encapsulando la catalasa y la evaluación de su performance demostró que la resistencia al peroxido, a temperaturas elevadas y (....) enzimas proteoliticas mejoraron drasticamente. Otro problema que intentamos solucionar en esta tesis es la direcionalidad de los micro motores y evaluando agentes direcionales se selecionó el magnetismo. En primer instante introducimos particulas de oxido de hierro, pero este metodo falló porque no se conseguió la asimitrización de los mismos. Por ello entramos en colaboración con Dr. Sanchez y aplicamos su metodo de fabricación de particulas Janus por evaporación de una multicapa magnetica. Las propriedades de esta multicapa nos capacitaron de guiar el movimiento de los motores aplicando campos magneticos. Para este tipo de motor direcionable sustituimos las enzimas por planito, un catalisador inorganico para la misma decomposición de peroxido. Esto crea un movimiento más uniforme, un porcentaje de particulas con catalizador más elevado y una incremento en la reproducibilidad de los experimentos. Todo esto nos facilitó el estudio del comportamiento de los motores Janus en diferentes ambitos, entre ello soluciones que contenian surfactantes. Adicionalmente se realizaron mediciones del potencial Zeta en las mismas soluciones y en presencia de surfactantes. Los resultados obtenidos pueden abrir el camino para un entendimiento mejor del mechanismo del movimiento por gradientes. Otro punto que aun es muy escarso en el campo son comparaciones entre diferentes tipos de micro motores. Asi siempre en colaboracion con el grupo de Sanchez comparamos estos resultados con resultados obtenidos por otro tipo de motor, los microjets. Comparando estos dos tipos de motores esperamos crear conecciones entre las varias areas del campo de micro motores para modularizar los conocimientos. Esto facilitará el traspaso del conocimiento de un tipo de motor y la aplicación a otros. La ultima parte de esta tesis surge de un proyecto a parte que nos capacitó de crear motores propulsados por luz. Se optimizó la precipitacion de AgCl particulas en forma de estrella y se caractizaron sus propriedades. Semejante a publicaciones de Sen et al. probamos el potencial de estas particulas como micro motores y vimos que luz ultravioleta es capaz de generar modificaciones en la superficie que liberan iones de cloro y causan movimientos propulsados por gradientes. El uso de estos micromotores nos llevó a la primer aplicación: limpieza de aguas de residuos por degradación de moleculas organicas y evaluamos las propriedades antibacteriales. Concluyendo se puede decir que hay optimismo que este trabajo aumenta el conocimiento sobre movimiento en la escala micro y será la base de futuros trabajos.

In the last decade the generation of movement at the microscale has evolved to a fascinating new field of that connects several fields of modern science. In its short history mainly engineering and chemistry were dominating the research in this area but lately many novel inputs were given by biotechnology or material science. This thesis starts with a short overview on physical basics, several different motor types and propulsion mechanisms and then comes to the use of enzymes to obtain motion. As basic material we focussed mainly on Silica particles due to its unique properties, for example easy shape-ability, modification and functionalization as well as its non-toxicity that enables future use in any kind of bio-applications. So in a first step different kinds of particles were synthesized and several tools are developed, for example surface functionalizations and immobilization of catalytically active material on the surface (enzymes or inorganic catalysts) and grafting of molecules as DNA. All this knowledge acquired here was combined in the development of a proof of concept motion based DNA sensor. The underlying micromotor assembly was storable but very sensitive to external influences as oxidizing media and elevated temperatures. Therefore improvement of the enzyme driven micromotors concerning their lifetime and reusability was achieved by introducing an encapsulation method for catalase. Evaluation of the particle endurance showed that the resistance to oxidation by peroxide, heat and proteolytic enzymes could be improved. Another problem that was tackled in this thesis is directionability of micromotors. After evaluation of different directing agents magnetism was selected as means of choice. First trials to introduce magnetic Fe2O3 particles in the micromotor assay failed because the asymmetrization could not be achieved. So in collaboration with the group of Dr. Sanchez an approach based on the fabrication of Janus particles through multilayer deposition of magnetic material was adopted and particle movement could be guided. To achieve this kind of motor the enzyme was replaced by Pt as an inorganic catalyst for peroxide decomposition. This causes the motion to be more uniform, the percentage of motile particle and the reproducibility of experiments higher and therefore it enabled us to study the behaviour in different fuel containing media. Additionally Zetapotential measurements were used to further characterize the particle behaviour in presence of different kinds of surfactants. Those results might pave the way for novel insights into mechanistic details of gradient driven particle movement. Another point that we found missing in the field of micro motors were comparisons between different kinds of micromotors. Therefore we extended the studies of micromotor motion in different media to microjets and we obtained comparative statements about differences between both motor types. We hope that creating connections between different types of micromotors will contribute to "modularize" the field, so that achievements on one type of motors can be easier applied to other forms of motors. In the last part of the thesis a finding from a side project we used to create light driven micromotors. The delayed precipitation of AgCl led to star-shaped particles - their synthesis was developed further and their properties were characterized. Similar to earlier publications of Sen et al. we tested their potential use as micromotors and found that UV light was able to generate surface modifications that released chlorine ions and led to probably gradient driven motion. Their use as micromotors finally led to a first application: waste water cleaning by means of degradation of organic molecules and antibacterial properties. We hope the concepts developed in this thesis provide a basis for future work and enlarge the knowledge about movement at the microscale.