El efecto de la batería solar permite que un nuevo micro-nadador orgánico impulsado por la luz funcione en la oscuridad.

El inconveniente es que tales microdeslizadores requieren un suministro continuo de energía externa; de lo contrario, la propulsión es difícil, si no imposible. Un microdeslizador que pueda almacenar energía externa podría ser justo la solución en una situación en la que la energía sólo está disponible durante un tiempo limitado o no puede ser ejercida en regiones profundas del cuerpo.

En los últimos años, las publicaciones que presentan diferentes versiones de microdeslizadores impulsados por luz han experimentado un auge, ya que la luz es una gran fuente de energía: es abundante y uno de los combustibles más explotados para impulsar los microdeslizadores. Sin embargo, hasta ahora, los microdeslizadores fotocatalíticos, también conocidos como "fotodeslizadores", se han visto limitados por el requisito de una iluminación continua durante su propulsión.

Un equipo interdisciplinario de científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) y del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido de Stuttgart (MPI-FKF) concibió un nuevo micro-nadador que puede almacenar energía después de una iluminación inicial y aprovechar la energía encapsulada mientras está funcionando en la oscuridad, de manera muy parecida a una célula solar que intrínsecamente almacena energía para un momento posterior.

El equipo desarrolló un micro-nadador hecho de un novedoso nitruro de carbono 2D que fueron capaces de impulsar en un líquido a través de una luz visible y ultravioleta (UV) - no sólo durante, sino incluso después de iluminarlo con luz. Después de 30 segundos de exposición previa a la luz, el micro-nadador se propulsó durante más de 30 minutos en la oscuridad gracias a sus propiedades similares a las de una batería solar.

El proyecto fue una primera colaboración entre el Departamento de Inteligencia Física del MPI para Sistemas Inteligentes dirigido por el Prof. Metin Sitti y el Departamento de Nanoquímica del MPI para la Investigación del Estado Sólido dirigido por la Prof. Bettina Lotsch. Metin Sitti y su equipo se especializan en nuevos métodos de locomoción, diseño, fabricación y control de micromáquinas inalámbricas con el objetivo de que algún día se puedan utilizar dentro del cuerpo humano para la administración de drogas dirigidas, lo que podría revolucionar la asistencia sanitaria. Bettina Lotsch y su equipo se especializan en el desarrollo de nuevas soluciones materiales y conceptos para la conversión y el almacenamiento de la energía solar, con un enfoque principal centrado en las interacciones luz-materia y la consiguiente reactividad química.

"La combinación de nuestros equipos ha dado nuevos conocimientos sobre los mecanismos subyacentes más allá de las micromáquinas de natación impulsadas por la luz y sobre cómo diseñar y construir esas máquinas para futuras aplicaciones médicas potenciales, que se producen en la oscuridad en regiones profundas del cuerpo humano, y para aplicaciones de remediación ambiental", dijeron Sitti y Lotsch.

Para construir sus pequeños micro-nadadores de ~3 micrómetros de diámetro, el equipo usó el poli(hepazina imida) que contiene potasio, K-PHI - un material de nitruro de carbono en capas que tiene propiedades fotocatalíticas superiores ya que absorbe bien la luz. Mientras lo hace, el nitruro de carbono crea una reacción fotográfica superficial que causa la formación de electrones y agujeros, donde los electrones se almacenan en el PHI, acumulando así carga como en una batería solar. La energía almacenada puede ser utilizada más tarde para la propulsión del nadador.

"Mientras que el nitruro de carbono absorbe la luz, crea electrones ricos en energía que pueden ser descargados a través de reacciones redox con su entorno. Anteriormente, los científicos creían que la evolución del hidrógeno causa la propulsión, dividiendo el agua en hidrógeno y oxígeno. Pero este no era el caso. Encontramos que los electrones reducen el oxígeno y eso causa la propulsión", dijo Filip Podjaski, uno de los autores principales de la publicación y científico del Departamento de Nanoquímica de la MPI-FKF.

El equipo creó tres versiones de los micro nadadores mediante la evaporación de una fina capa de diferentes catalizadores metálicos: un grupo de micro nadadores estaba parcialmente cubierto de oro (Au), uno con platino (Pt), y otro con dióxido de silicio (SiO2). Estudiaron por separado cada grupo de microdeslizadores. En varios experimentos, mostraron cómo pueden impulsar a los nadadores hacia adelante tanto bajo luz visible como bajo iluminación UV, ya sea que los diminutos dispositivos estuvieran nadando en agua con alcohol o H2O2, o con otros combustibles. Los científicos descubrieron que los micro-nadadores cubiertos de platino nadaban más rápido con agua y alcohol como combustible, mientras que los dispositivos cubiertos de oro, seguidos por los de dióxido de silicio, mostraban la propulsión más rápida con H2O2 como combustible. "Los micro-nadadores cubiertos de platino del MPI-IS eran los más adecuados por su capacidad de almacenar cargas bajo iluminación y liberarlas en ausencia de luz, lo que les permitía nadar durante minutos con sólo unos segundos de iluminación", dijo Varun Sridhar, uno de los autores principales y miembro del Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS.

El proyecto de investigación ha demostrado que los micro-nadadores orgánicos inspirados en la naturaleza también pueden ser construidos. Nunca antes se había introducido un nitruro de carbono basado en el MPI-IS como el principal material de construcción para tales micromáquinas de natación. Esto marca las casillas de la biocompatibilidad, la afinación y la reducción de costos, ya que el nitruro de carbono es abundante en la tierra y se obtiene fácilmente. Esto hace que los micronebulizadores basados en el PHI sean particularmente prometedores para posibles aplicaciones médicas (por ejemplo, la administración de medicamentos específicos) y de rehabilitación ambiental, debido a su sensibilidad a la luz visible, su naturaleza orgánica blanda y la posibilidad de utilizar tapones biocompatibles como el Au o el SiO2. Además, el efecto de natación de la batería solar abre muchas nuevas oportunidades, en los casos en que las micromáquinas necesitan funcionar sin un suministro continuo de combustible, y en los que se requieren materiales ecológica o biológicamente benignos. Por último, pero no menos importante, el efecto de carga reportado en la publicación abre la puerta a la creación de sistemas autónomos con capacidades de almacenamiento de energía incorporadas - como un ligero dispositivo de batería cargada, sólo que mil veces más pequeño. "En el futuro, tenemos que trabajar en la mejora del equilibrio para cargar la partícula mucho más rápido de lo que se descarga, para usar la energía de forma más eficiente y quizás también para otros medios que no sean la propulsión pura, pero esto no es fácil de conseguir", dijeron Podjaski y Sridhar.

"Estamos entusiasmados con la perspectiva de combinar nuevos materiales energéticos con sistemas autónomos", dice Bettina Lotsch. "Hasta hace poco, la interfaz entre estas disciplinas ha sido en gran medida un territorio inexplorado. Esperamos poder cambiar esto".

"Estoy de acuerdo. Tenemos previsto continuar nuestra estrecha colaboración con el grupo de Bettina para desarrollar nuevos micro-nadadores avanzados impulsados por luz, que son totalmente viables para su uso dentro del cuerpo humano en regiones de tejidos de varios centímetros de profundidad para la administración de drogas específicas y otras posibles aplicaciones médicas", concluyó Sitti.