Produção e otimização de motores baseados em micro agulhas

Abstract

Durantes as duas primeiras décadas do século XXI os estudos focados no desenvolvimento dos micromotores enfrentaram desafios tecnológicos, como a miniaturização tecnológica, escalabilidade, sinergia entre os materiais e controle do movimento. Baseados nesses desafios e fundamentados nas propriedades químicas e físicas dos materiais, o presente trabalho buscou desenvolver micromotores utilizando processos de simples manufatura e no aumento da sinergia entre os materiais empregados, através de estudos de otimização. Diversas geometrias de micromotores foram estudadas, tais como cônica, piramidal, tridente e 2D. No caso dos micromotores cônicos o tamanho da base foi variado, entre 1 mm a 300 μm, e a altura foi mantida constante, 600 μm. O número de Reynolds (Re) e a força de arraste (Fd) foram as duas características mais influenciadas pela modificação da geometria dos micromotores, os menores valores do Re e da Fd foram obtidos para os micromotores com geometria cônica. Os micromotores foram fabricados utilizando resina acrílica e filmes fino de platina, e o movimento foi analisado em solução aquosa de peróxido de hidrogênio, concentração de 2,5% (v/v) a 30%(v/v), com o surfactante Triton X-100, concentração de 0,01% (v/v) a 8% (v/v). Os estudos de otimização levaram a valores, para a melhor condição de movimento, de 15% (v/v) de peróxido de hidrogênio e 0,2% (v/v) de Triton X-100, onde foi observado que a velocidade dos micromotores era crescente, alcançando, após 20 minutos de reação, uma velocidade média de 2,5 mm.s-1 e 5 mm.s-1 para as concentrações de peróxido de 5% e 10%, respectivamente, os dados de velocidade foram obtidos com o auxílio do programa “Nikon – Elements AR 3.2” de análise e rastreamento de partículas. Desta maneira, mostramos que os estudos de otimização dos micromotores, que levaram em conta a geometria, sinergia entre os materiais e concentração de combustível, foram importantes para o avanço do estado da arte referente a produção de micromáquinas sintéticas. Os resultados sugerem uma perspectiva futura na aplicação destes tipos de micromotores, como modelos padrões, em áreas como tratamento in vivo e remediação ambiental.

During century XXI first two decades, motor’s development research was facing technological challenges, such as miniaturization, scalability, materials synergy, and movement control. Inspired by those challenges and based on materials’ physicochemical properties, the goal of this project was the development of micromotors by means of simple manufacture aimed improve the synergism between the utilized materials via optimization studies. Different micromotors geometries have been studied, such as conical, pyramidal, trident, and 2D. For conical micromotors, the height was fixed at 600 μm while the base diameter shifted from 300 μm to 1 mm. The Reynolds’ number (Re) and the drag force (Fd) were the features mostly affected by the micromotors’ geometries changes, and the outcome led to conical motors to present the smaller values. The micromotors were manufactured using acrylic resin and platinum thin films, and their movement was analyzed in aqueous media containing hydrogen peroxide, ranging from 2,5% (v/v) to 30% (v/v), and Triton X-100 surfactant, ranging from 0,01% (v/v) to 8% (v/v). The optimization studies led to the best movement condition, which was 15% (v/v) hydrogen peroxide and 0,2% (v/v) Triton X-100, and during this optimization we observed the micromotors speed increase according to time, such increase could be showed by the 5% and 10% hydrogen peroxide, that after 20 minutes of reaction, reached an average velocity of 2,5 mm.s-1 and 5,0 mm.s-1 respectively. All the data were generated and analyzed via “Nikon – Elements AR 3.2” software. Therefore, we showed that optimization studies of micromotors, which consider geometry, materials synergy, and fuel concentration are substantial to key advances in the state-of-the-art to synthetic micromachines production. The results presented here gives perspective into micromotors applications, as standard models, to future employment of these micromachines in in vivo studies or environmental remediation for example.