I nuotatori più comuni in natura sono organismi unicellulari come le microalghe che nuotano verso le fonti di luce, e spermatozoi che nuotano verso un ovulo. Per un fisico, le cellule sono semplicemente macchine biochimiche, che deve obbedire a leggi della chimica e della fisica ben descritte. Gli scienziati possono quindi creare immagini realistiche, micromacchine natatorie senza invocare la biologia?

Guidati dalla fisica Corinna Maass, il gruppo Active Soft Matter presso il Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization mira a creare modelli di nuotatori morbidi da componenti puramente liquidi. Hanno recentemente creato stabile, nuotatori droplet semoventi e orientabili con scomparti chiusi. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

I micronuotatori artificiali simili a cellule potrebbero fornire nuove ed entusiasmanti applicazioni, Per esempio, un microscopico sistema natatorio di somministrazione di farmaci che si autoguida verso l'organo bersaglio, e viene quindi assorbito in modo innocuo dal corpo. Inoltre, i micronuotatori puramente fisici possono fornire modelli per comprendere la fisica che governa i nuotatori biologici. Utilizzando modelli di nuotatori semplificati al massimo, Corinna Maaß e il suo gruppo testano quali componenti e meccanismi di una cellula vivente potrebbero essere unicamente necessari per fornire funzioni specifiche.

"I nostri prototipi di cellule artificiali devono soddisfare diversi requisiti:devono autopromuoversi spontaneamente; devono essere in grado di contenere compartimenti per il trasporto di merci o come base per reazioni chimiche; e devono essere controllabili, in modo che possiamo scegliere selettivamente come operano e in quali condizioni rilasciano il loro carico, "Spiega Maaß.

Con i suoi colleghi Babak Vajdi Hokmabad e Kyle Baldwin, ha portato a termine con successo questo compito, utilizzando un sistema sorprendentemente semplice:hanno prodotto gusci di olio che racchiudono uno o più nuclei d'acqua interni, o le cosiddette doppie emulsioni attive. Tali goccioline possono iniziare a muoversi spontaneamente se vengono lasciate sciogliere lentamente in un tensioattivo concentrato o in una soluzione di sapone, in un modo, il tensioattivo funge da combustibile assecondando il moto della gocciolina fino alla sua completa dissoluzione.

Goccioline stabili di cristalli liquidi

Tipicamente, una tale emulsione è instabile poiché olio e acqua si mescolano nel tempo, un effetto visto nella vita di tutti i giorni quando l'olio travasa dalla vinaigrette. Allo stesso modo, i nuotatori attivi a doppia emulsione sono suscettibili di scoppiare non appena si muovono, mentre il nucleo interno viene trascinato verso il confine della goccia. Il team è stato in grado di impedire lo scoppio dei gusci scegliendo un cristallo liquido come materiale del guscio.

I cristalli liquidi sono oli che scorrono allo stesso modo di un normale olio, ma le molecole di olio sono disposte secondo uno schema ordinato, che preferisce che il nucleo acquoso sia al centro della gocciolina. Se il nucleo viene trascinato verso il bordo durante il movimento, la distorsione dell'ordine fornisce una forza che lo spinge indietro verso il centro. Le simulazioni numeriche di Christian Bahr hanno dimostrato che questa barriera energetica è, infatti, sufficiente per stabilizzare il guscio. In confronto, gli esperimenti del team mostrano che solo i gusci di cristalli liquidi rimangono stabili, mentre le conchiglie fatte con oli normali scoppiano quasi immediatamente non appena iniziano a nuotare.

Gocce di gufo e movimento a zigzag

I gusci stabili nuoteranno quindi fino a diverse ore, restringendosi mentre si dissolvono, finché diventano troppo sottili e scoppiano. Durante questo periodo, il loro movimento è affascinante:non nuotano in linea retta, ma in un intricato meandri che ricorda le pinne di squalo. Babak Vajdi Hokmabad dice:"Quella, pure, può essere ricondotto alla fisica fondamentale. Se il nucleo è fuori asse rispetto alla direzione di movimento del guscio, sperimenterà una coppia che lo costringerà su una curva che alla fine lo riporterà sulla propria pista. Questo sentiero contiene carburante esaurito, che respinge di nuovo la goccia. La coppia si inverte, e con esso, anche il movimento curvo della goccia si inverte."

Per di più, il gruppo ha dimostrato che questo comportamento tortuoso può essere disattivato a piacimento:se il guscio contiene due nuclei, si dispongono simmetricamente attorno all'asse di movimento. In questo caso, non c'è coppia e il guscio nuota dritto. "Sotto la microscopia polarizzata questi gusci a doppio nucleo hanno un aspetto molto simile a un gufo, "dice Kyle Baldwin.

Gli scienziati hanno escogitato più modi per guidare i nuotatori:le goccioline si attaccano alle pareti, tale da poter costruire una "ferrovia a goccia, " e cerca le aree con una maggiore densità di carburante.

Nuotatori flessibili e orientabili

Queste caratteristiche rendono i gusci eccellenti modelli di nuotatori biomimetici:sono paragonabili per dimensioni, velocità e deformabilità ai veri bionuotatori, ma senza complicati componenti biochimici. Il loro moto è stabilito da leggi fisiche fondamentali ed eleganti e simmetrie spontaneamente rotte, e controllando queste simmetrie, i ricercatori possono anche controllare il comportamento di nuoto.

"Un vantaggio cruciale delle doppie emulsioni è che il nucleo non contribuisce al meccanismo di movimento, e non si dissolve, o, " dice Maaß. "Così, possiamo funzionalizzarlo per trasportare reagenti chimici o mattoni biologici come proteine ​​o enzimi, e ad un certo punto, replicare veramente la fisica della vita."