Ispirato dai movimenti su microscala della natura, un gruppo di ricercatori dell'Indian Institute of Technology Madras e dell'Institute of Mathematical Sciences, a Chennai, India, ha sviluppato un nuovo design per il trasporto di particelle colloidali, minuscolo carico sospeso in sostanze come fluidi o gel, più rapidamente di quanto sia attualmente possibile per diffusione.

L'attrito del fluido determina l'inerzia su microscala nel fluido. Questo significa, ad esempio, le cellule del sangue che nuotano nel sangue incontrano all'incirca la stessa quantità di resistenza che un essere umano proverebbe nel tentativo di nuotare attraverso la melassa.

Come riporta il gruppo in Il Giornale di Fisica Chimica hanno applicato e poi esteso un modello di filamenti attivi che include queste interazioni idrodinamiche di attrito, in particolare per quanto riguarda l'analisi della velocità e dell'efficienza del trasporto di particelle colloidali.

Facendo così, i ricercatori sono stati in grado di progettare un motore di trasporto attivo realizzabile, avanzando in modo significativo lo stato dell'arte per lo studio del ruolo cruciale della conservazione della quantità di moto nei sistemi attivi.

"I microrganismi hanno sviluppato organelli specializzati, come ciglia e flagelli, per vincere le sfide di, nelle parole del premio Nobel [Edward] Purcell, 'vita a un basso numero di Reynolds, '" ha detto Raj Kumar Manna, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica presso l'Indian Institute of Technology Madras. "Recenti esperimenti hanno dimostrato che il 'battito' simile a flagelli potrebbe essere ottenuto in vitro, dimostrando che è possibile ottenere un moto periodico 'battente' senza una complessa regolazione biologica."

Combinando questo concetto di regolazione biologicamente indipendente con "sintesi di successo di autopropulsione, particelle inorganiche, "ha detto anche ha permesso loro di creare un sistema di trasporto microscopico completamente artificiale.

Il gruppo inizialmente si è proposto di studiare i progetti di tali sistemi di trasporto tramite simulazione al computer per trovare progetti per la loro "sintesi finale" all'interno del laboratorio.

Secondo Manna, la maggior parte dei concetti coinvolti nel loro lavoro hanno più di un secolo, risalente alla metà del 1800 con il lavoro del matematico George Stokes sulle equazioni omonime per il flusso viscoso lento. Il fisico Marian Smoluchowski ha poi usato quel lavoro all'inizio del 1900 per calcolare l'attrito, o la cosiddetta "interazione idrodinamica, " tra particelle sferiche che si muovono in un fluido viscoso. "Abbiamo applicato queste tecniche alla nuova situazione del nuoto all'interno di un fluido viscoso, " disse Manna.

Con queste tecniche hanno dimostrato che è possibile trasportare carichi colloidali tramite filamenti attivi sintetici. "Abbiamo fornito un progetto per un motore di motilità completamente biocompatibile che può essere utilizzato per un'ampia varietà di usi, " Disse Manna. E tale varietà è offerta da una scoperta sorprendente.

"Velocità ed efficienza non sono correlate all'interno di questi sistemi, " disse Manna. "Per analogia, considera l'energia spesa da un velocista di 100 metri e da un maratoneta. Per un dato budget di energia, può essere speso in una breve raffica per raggiungere l'alta velocità, o più lentamente per raggiungere lunghe distanze. Ciò richiede diverse considerazioni di progettazione, quindi il nostro lavoro fornisce un modo per cambiare il comportamento del nostro nuotatore sintetico tra queste due modalità".

Il lavoro ha potenziali implicazioni per procedure come la somministrazione mirata di farmaci e l'inseminazione. Più generalmente, il lavoro è rilevante per interventi terapeutici in cui la motilità difettosa in fisiologia è un problema.

"È difficile prevedere i tempi per la realizzazione sperimentale di un progetto di computer, e poi andare oltre gli studi clinici per l'uso medico. Ma, se lo sviluppo passato all'interno di quest'area è una guida, ci aspettiamo che alcune di queste tecnologie diventino realizzabili entro un decennio circa, " ha detto Manna.

Per quanto riguarda il futuro del gruppo, Manna ha detto, "Vorremmo includere livelli crescenti di realismo nella nostra analisi per ottenere un ambiente più simile al sangue, guarda le geometrie che sono più simili a capillari ramificati, esplorare progetti per una maggiore efficienza energetica, e anche collaborare più strettamente con sperimentalisti."