Fantastic voyage: Designing self-powered nanorobots

Angewandte Chemie - International Edition

Volumn 51, Issue 34, 2012, Pages 8434-8445

  Sengupta, Samudra ^a   Ibele, Michael E ^a   Sen, Ayusman ^a  

^a PENNSYLVANIA STATE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

chemotaxis; collective behavior; micropumps; nanomotors; nanorobots

Indexed keywords

CHEMOTAXIS; COLLECTIVE BEHAVIOR; MICRO PUMP; NANOMOTORS; NANOROBOTS;

BIOCHEMISTRY; ROBOTS;

NANOROBOTICS;

NANOMATERIAL;

CHEMISTRY; CHEMOTAXIS; METHODOLOGY; NANOTECHNOLOGY; REVIEW;

CHEMOTAXIS; NANOSTRUCTURES; NANOTECHNOLOGY;

EID: 84865099708     PISSN: 14337851     EISSN: 15213773     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/anie.201202044     Document Type: Review

References (143)

1. Fantastic Voyage, S. David, Producer, Twentieth Century Fox Film Corporation, 1966
2. M. Crichton, Prey, Harper Collins, New York, 2002.
3. E. Masayoshi, O. Takahito, J. Phys. D 2005, 38, R 223.
4. R. Feynman, Eng. Sci. 1960, 23, 22-36.
5. R. A. Freitas, Int. J. Surg. 2005, 3, 243-246.
6. K. Ishiyama, M. Sendoh, K. I. Arai, J. Magn. Magn. Mater. 2002, 242-245, 41-46.
7. B. J. Nelson, I. K. Kaliakatsos, J. J. Abbott, Annu. Rev. Biomed. Eng. 2010, 12, 55-85.
8. T. Hogg, R. A. Freitas, Nanomedicine 2010, 6, 298-317.
9. S. Klumpp, Physica A 2005, 352, 53-112.
10. M. Schliwa, G. Woehlke, Nature 2003, 422, 759-765
11. C. Mavroidis, A. Dubey, M. L. Yarmush, Annu. Rev. Biomed. Eng. 2004, 6, 363-395.
12. B. Alberts, D. Bray, K. Hopkin, A. Hohnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter, A. Johnson, Essential Cell Biology, Garland, London, 2010.
13. M. J. McBride, Annu. Rev. Microbiol. 2001, 55, 49-75.
14. L. A. Dunbar, M. J. Caplan, Eur. J. Cell Biol. 2000, 79, 557-563.
15. J. Lyklema, Colloids Surf. A 2003, 222, 5-14.
16. T. Vickrey, J. Garcia-Ramirez, Sep. Sci. Technol. 1980, 15, 1297-1304.
17. S. Iacopini, R. Rusconi, R. Piazza, Eur. Phys. J. E 2006, 19, 59-67.
18. M. M. J. Lin, D. C. Prieve, J. Colloid Interface Sci. 1983, 95, 327-339.
19. W. F. Paxton, P. T. Baker, T. R. Kline, Y. Wang, T. E. Mallouk, A. Sen, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 14881-14888.
20. W. Liu, X. Sun, H. Han, M. Li, X.-Z. Zhao, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 163122-163123.
21. M. N. Vinothan, Solid State Commun. 2006, 139, 557-561.
22. E. R. Kay, D. A. Leigh, F. Zerbetto, Angew. Chem. 2007, 119, 72-196
23. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 72-191
24. R. D. Astumian, Annu. Rev. Biophys. 2011, 40, 289-313
25. R. D. Astumian, Science 1997, 276, 917-922
26. R. D. Astumian, Sci. Am. 2001, 285 (1), 56- 64
27. P. Reimann, Phys. Rep. 2002, 361, 57-265.
28. G. Taylor, Philos. Trans. R. Soc. London Ser. A 1923, 55
29. http://www.youtube.com/watch?v=p08-KlTKP50 (accessed March 2012).
30. E. M. Purcell, Am. J. Phys. 1977, 45, 3-11.
31. Y. Mei, A. A. Solovev, S. Sanchez, O. G. Schmidt, Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 2109-2119
32. T. Mirkovic, N. S. Zacharia, G. D. Scholes, G. A. Ozin, Small 2010, 6, 159-167
33. T. Mirkovic, N. S. Zacharia, G. D. Scholes, G. A. Ozin, ACS Nano 2010, 4, 1782-1789
34. S. J. Ebbens, J. R. Howse, Soft Matter 2010, 6, 726-738
35. J. Wang, ACS Nano 2009, 3, 4-9
36. Y. Hong, D. Velegol, N. Chaturvedi, A. Sen, Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 1423-1435
37. A. Sen, M. Ibele, Y. Hong, D. Velegol, Faraday Discuss. 2009, 143, 15-27
38. S. Sánchez, M. Pumera, Chem. Asian J. 2009, 4, 1402-1410.
39. A. Goel, V. Vogel, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 465-475.
40. J. Kim, J. Park, S. Yang, J. Baek, B. Kim, S. H. Lee, E.-S. Yoon, K. Chun, S. Park, Lab Chip 2007, 7, 1504-1508.
41. B. Behkam, M. Sitti, Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 023902.
42. R. K. Soong, G. D. Bachand, H. P. Neves, A. G. Olkhovets, H. G. Craighead, C. D. Montemagno, Science 2000, 290, 1555-1558.
43. C. Brunner, C. Wahnes, V. Vogel, Lab Chip 2007, 7, 1263-1271.
44. H. Jia, G. Zhu, P. Wang, Biotechnol. Bioeng. 2003, 84, 406-414
45. N. Mano, A. Heller, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 11574-11575
46. D. Pantarotto, W. R. Browne, B. L. Feringa, Chem. Commun. 2008, 1533-1535.
47. H. S. Muddana, S. Sengupta, T. E. Mallouk, A. Sen, P. J. Butler, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 2110-2111
48. H. Yu, K. Jo, K. L. Kounovsky, J. J. d. Pablo, D. C. Schwartz, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5722-5723.
49. D. Brady, J. Jordaan, Biotechnol. Lett. 2009, 31, 1639-1650.
50. J. L. Anderson, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1986, 469, 166-177.
51. W. F. Paxton, K. C. Kistler, C. C. Olmeda, A. Sen, S. K. St. Angelo, Y. Cao, T. E. Mallouk, P. E. Lammert, V. H. Crespi, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13424-13431.
52. S. Fournier-Bidoz, A. C. Arsenault, I. Manners, G. A. Ozin, Chem. Commun. 2005, 441-443.
53. R. F. Ismagilov, A. Schwartz, N. Bowden, G. M. Whitesides, Angew. Chem. 2002, 114, 674-676
54. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 652-654.
55. L. Rayleigh, Proc. R. Soc. London 1890, 47, 364-367
56. S. Nakata, S.-i. Hiromatsu, H. Kitahata, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10557-10559
57. O. Sano, K. Kutsumi, N. Watanabe, J. Phys. Soc. Jpn. 1995, 64, 1993-1999
58. Y. Sumino, N. Magome, T. Hamada, K. Yoshikawa, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 068301
59. M. M. Hanczyc, T. Toyota, T. Ikegami, N. Packard, T. Sugawara, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9386-9389
60. I. Lagzi, S. Soh, P. J. Wesson, K. P. Browne, B. A. Grzybowski, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 1198-1199.
61. W. F. Paxton, A. Sen, T. E. Mallouk, Chem. Eur. J. 2005, 11, 6462-6470
62. J. L. Moran, J. D. Posner, J. Fluid Mech. 2011, 680, 31-66.
63. Y. Wang, R. M. Hernandez, D. J. Bartlett, J. M. Bingham, T. R. Kline, A. Sen, T. E. Mallouk, Langmuir 2006, 22, 10451-10456.
64. N. Kocherginsky, Prog. Biophys. Mol. Biol. 2009, 99, 20-41.
65. R. Liu, A. Sen, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 20064-20067.
66. G. Loget, A. Kuhn, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15918-15919
67. G. Loget, A. Kuhn, Nat. Commun. 2011, 2, 535.
68. U. K. Demirok, R. Laocharoensuk, K. M. Manesh, J. Wang, Angew. Chem. 2008, 120, 9489-9491
69. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 9349-9351.
70. R. Laocharoensuk, J. Burdick, J. Wang, ACS Nano 2008, 2, 1069-1075.
71. D. Kagan, P. Calvo-Marzal, S. Balasubramanian, S. Sattayasamitsathit, K. M. Manesh, G.-U. Flechsig, J. Wang, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 12082-12083
72. S. Sattayasamitsathit, W. Gao, P. Calvo-Marzal, K. M. Manesh, J. Wang, ChemPhysChem 2010, 11, 2802-2805.
73. S. Balasubramanian, D. Kagan, K. M. Manesh, P. Calvo-Marzal, G.-U. Flechsig, J. Wang, Small 2009, 5, 1569-1574.
74. P. Calvo-Marzal, K. M. Manesh, D. Kagan, S. Balasubramanian, M. Cardona, G.-U. Flechsig, J. Posner, J. Wang, Chem. Commun. 2009, 4509-4511.
75. W. Gao, S. Sattayasamitsathit, K. M. Manesh, D. Weihs, J. Wang, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 14403-14405
76. W. Gao, K. M. Manesh, J. Hua, S. Sattayasamitsathit, J. Wang, Small 2011, 7, 2047-2051.
77. O. S. Pak, W. Gao, J. Wang, E. Lauga, Soft Matter 2011, 7, 8169-8181.
78. N. S. Zacharia, Z. S. Sadeq, G. A. Ozin, Chem. Commun. 2009, 5856-5858.
79. J. Wu, S. Balasubramanian, D. Kagan, K. M. Manesh, S. Campuzano, J. Wang, Nat. Commun. 2010, 1, 36.
80. T. R. Kline, W. F. Paxton, T. E. Mallouk, A. Sen, Angew. Chem. 2005, 117, 754-756
81. Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 744-746.
82. D. Kagan, R. Laocharoensuk, M. Zimmerman, C. Clawson, S. Balasubramanian, D. Kang, D. Bishop, S. Sattayasamitsathit, L. Zhang, J. Wang, Small 2010, 6, 2741-2747
83. S. Sundararajan, P. E. Lammert, A. W. Zudans, V. H. Crespi, A. Sen, Nano Lett. 2008, 8, 1271-1276.
84. J. Burdick, R. Laocharoensuk, P. M. Wheat, J. D. Posner, J. Wang, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8164-8165
85. S. Sundararajan, S. Sengupta, M. E. Ibele, A. Sen, Small 2010, 6, 1479-1482.
86. P. Calvo-Marzal, S. Sattayasamitsathit, S. Balasubramanian, J. R. Windmiller, C. Dao, J. Wang, Chem. Commun. 2010, 46, 1623-1624.
87. J. Orozco, S. Campuzano, D. Kagan, M. Zhou, W. Gao, J. Wang, Anal. Chem. 2011, 83, 7962-7969.
88. J. M. Catchmark, S. Subramanian, A. Sen, Small 2005, 1, 202-206.
89. L. Qin, M. J. Banholzer, X. Xu, L. Huang, C. A. Mirkin, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14870-14871
90. Y. Wang, S.-t. Fei, Y.-M. Byun, P. E. Lammert, V. H. Crespi, A. Sen, T. E. Mallouk, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9926-9927
91. Y. He, J. Wu, Y. Zhao, Nano Lett. 2007, 7, 1369-1375.
92. B. R. Martin, D. J. Dermody, B. D. Reiss, M. Fang, L. A. Lyon, M. J. Natan, T. E. Mallouk, Adv. Mater. 1999, 11, 1021-1025.
93. L. M. Goldenberg, J. Wagner, J. Stumpe, B.-R. Paulke, E. Görnitz, Langmuir 2002, 18, 5627-5629.
94. J. R. Howse, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, T. Gough, R. Vafabakhsh, R. Golestanian, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 048102
95. L. F. Valadares, Y.-G. Tao, N. S. Zacharia, V. Kitaev, F. Galembeck, R. Kapral, G. A. Ozin, Small 2010, 6, 565-572
96. H. Ke, S. Ye, R. L. Carroll, K. Showalter, J. Phys. Chem. A 2010, 114, 5462-5467
97. L. Baraban, D. Makarov, R. Streubel, I. Monch, D. Grimm, S. Sanchez, O. G. Schmidt, ACS Nano 2012, DOI:.
98. J. G. Gibbs, S. Kothari, D. Saintillan, Y. P. Zhao, Nano Lett. 2011, 11, 2543-2550.
99. Y. Mei, G. Huang, A. A. Solovev, E. B. Ureña, I. Mönch, F. Ding, T. Reindl, R. K. Y. Fu, P. K. Chu, O. G. Schmidt, Adv. Mater. 2008, 20, 4085-4090
100. K. M. Manesh, M. Cardona, R. Yuan, M. Clark, D. Kagan, S. Balasubramanian, J. Wang, ACS Nano 2010, 4, 1799-1804.
101. S. Sanchez, A. A. Solovev, Y. Mei, O. G. Schmidt, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13144-13145.
102. S. Sanchez, A. A. Solovev, S. M. Harazim, O. G. Schmidt, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 701-703.
103. A. A. Solovev, Y. Mei, O. G. Schmidt, Adv. Mater. 2010, 22, 4340-4344.
104. A. A. Solovev, S. Sanchez, Y. Mei, O. G. Schmidt, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 10131-10135.
105. S. Sanchez, A. A. Solovev, S. Schulze, O. G. Schmidt, Chem. Commun. 2011, 47, 698-700
106. A. A. Solovev, S. Sanchez, M. Pumera, Y. F. Mei, O. G. Schmidt, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2430-2435
107. A. A. Solovev, W. Xi, D. H. Gracias, S. M. Harazim, C. Deneke, S. Sanchez, O. G. Schmidt, ACS Nano 2012, 6, 1751-1756.
108. D. Kagan, S. Campuzano, S. Balasubramanian, F. Kuralay, G.-U. Flechsig, J. Wang, Nano Lett. 2011, 11, 2083-2087.
109. S. Balasubramanian, D. Kagan, C.-M. Jack Hu, S. Campuzano, M. J. Lobo-Castañon, N. Lim, D. Y. Kang, M. Zimmerman, L. Zhang, J. Wang, Angew. Chem. 2011, 123, 4247-4250
110. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 4161-4164.
111. S. Sanchez, A. N. Ananth, V. M. Fomin, M. Viehrig, O. G. Schmidt, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14860-14863.
112. A. A. Solovev, E. J. Smith, C. C. Bof 'Bufon, S. Sanchez, O. G. Schmidt, Angew. Chem. 2011, 123, 11067-11070
113. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10875-10878.
114. W. Gao, S. Sattayasamitsathit, J. Orozco, J. Wang, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 11862-11864.
115. K. K. Dey, D. Sharma, S. Basu, A. Chattopadhyay, J. Chem. Phys. 2008, 129, 121101-121104
116. K. K. Dey, K. K. Senapati, P. Phukan, S. Basu, A. Chattopadhyay, J. Phys. Chem. C 2011, 115, 12708-12715.
117. J. L. Anderson, Annu. Rev. Fluid Mech. 1989, 21, 61-99.
118. M. Ibele, T. E. Mallouk, A. Sen, Angew. Chem. 2009, 121, 3358-3362
119. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 3308-3312.
120. M. E. Ibele, P. E. Lammert, V. H. Crespi, A. Sen, ACS Nano 2010, 4, 4845-4851.
121. J. L. Anderson, Ann. N. Y. Acad. Sci. 1986, 469, 166-177.
122. Y. Hong, M. Diaz, U. M. Cõrdova-Figueroa, A. Sen, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1568-1576.
123. D. Kagan, S. Balasubramanian, J. Wang, Angew. Chem. 2011, 123, 523-526
124. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 503-506.
125. N. Chaturvedi, Y. Y. Hong, A. Sen, D. Velegol, Langmuir 2010, 26, 6308-6313.
126. R. Golestanian, T. B. Liverpool, A. Ajdari, Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 220801
127. G. Rückner, R. Kapral, Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 150603
128. U. M. Cõrdova-Figueroa, J. F. Brady, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 158303
129. F. Delogu, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 15909-15913
130. S. Ebbens, R. A. L. Jones, A. J. Ryan, R. Golestanian, J. R. Howse, Phys. Rev. E 2010, 82, 015304
131. M. N. Popescu, S. Dietrich, M. Tasinkevych, J. Ralston, Eur. Phys. J. E 2010, 31, 351-367.
132. R. A. Pavlick, S. Sengupta, T. McFadden, H. Zhang, A. Sen, Angew. Chem. 2011, 123, 9546-9549
133. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 9374-9377.
134. H. Zhang, K. Yeung, J. S. Robbins, R. A. Pavlick, M. Wu, R. Liu, A. Sen, S. T. Phillips, Angew. Chem. 2012, 124, 2450-2454
135. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2400-2404.
136. Y. Hong, N. M. K. Blackman, N. D. Kopp, A. Sen, D. Velegol, Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 178103.
137. P. Dhar, T. M. Fischer, Y. Wang, T. E. Mallouk, W. F. Paxton, A. Sen, Nano. Lett. 2006, 6, 66-72.
138. G. Mino, T. E. Mallouk, T. Darnige, M. Hoyos, J. Dauchet, J. Dunstan, R. Soto, Y. Wang, A. Rousselet, E. Clement, Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 048102.
139. A. Nisar, N. Afzulpurkar, B. Mahaisavariya, A. Tuantranont, Sens. Actuators B 2008, 130, 917-942
140. T. R. Kline, W. F. Paxton, Y. Wang, D. Velegol, T. E. Mallouk, A. Sen, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17150-17151
141. M. E. Ibele, Y. Wang, T. R. Kline, T. E. Mallouk, A. Sen, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 7762-7763
142. I. K. Jun, H. Hess, Adv. Mater. 2010, 22, 4823-4825.
143. http://science.energy.gov/bes/efrc/research/grand-challenges/.