Un nuovo studio pubblicato su Lettere di revisione fisica descrive un modo per aumentare la capacità di carico di microscopici, goccioline semoventi note come "micronuotatori". I ricercatori dell'Università della Pennsylvania e del Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation hanno scoperto che quando una scuola di micronuotatori si muove nella stessa direzione all'interno di un canale stretto, possono aumentare di 10 volte il numero di particelle che possono trasportare. Le loro scoperte hanno implicazioni per applicazioni che vanno dai sistemi di somministrazione dei farmaci ai materiali con rivestimenti attivi.

Come molti sforzi scientifici, questo è iniziato con una semplice osservazione. Mentre partecipava a una cena congressuale al Georgia Aquarium, il fisico Arnold Mathijssen e i suoi colleghi hanno notato che grandi banchi di pesci nuotatori sembravano trasportare piccole particelle e detriti nella loro scia. Ciò accade a causa del trascinamento idrodinamico, un processo dove, come un oggetto si muove attraverso un liquido, genera un flusso e trascina con sé gli oggetti vicini.

"Ci chiedevamo, Mentre i pesci nell'acquario nuotano in avanti, anche una particella viene trascinata in avanti, o è spinto all'indietro dalle loro code?" dice Mathijssen. "La nostra domanda centrale era se questi ragazzi spostassero le cose in avanti o no, e l'ipotesi era che se possiamo vederlo accadere nell'acquario, forse questo è applicabile anche al microscopio."

Per rispondere alla domanda, I ricercatori del Max Planck Institute Chenyu Jin, Yibo Chen, e Corinna Maass hanno condotto esperimenti utilizzando micronuotatori sintetici, goccioline semoventi di olio e tensioattivo che sono un sistema modello per robot microscopici. Usando i loro micronuotatori, i ricercatori sono stati in grado di misurare la forza dei flussi generati da un singolo nuotatore e la quantità di materiale che un individuo potrebbe portare con sé mentre viaggiava attraverso un canale bidimensionale. Quindi, una volta raccolti i dati, Mathijssen e il suo gruppo hanno sviluppato un modello teorico per aiutare a spiegare le loro scoperte.

Una sfida particolare per lo sviluppo del modello è stata quella di escogitare un modo per descrivere gli effetti delle pareti del canale microscopico perché, a differenza dell'acquario, questo esperimento è stato condotto in uno spazio ristretto. "Quel confinamento influisce davvero sui flussi e, di conseguenza, influisce sul volume totale delle cose che puoi trasportare. C'è un bel po' di letteratura in termini di modellazione di particelle attive, ma è difficile farlo bene in ambienti complessi, "dice Mathijssen.

Utilizzando i loro dati e il modello appena sviluppato, i ricercatori hanno scoperto che la capacità di trasporto di un singolo micronuotatore potrebbe essere aumentata di 10 volte quando nuotano insieme all'interno di un canale stretto. Hanno anche scoperto che la velocità di trascinamento, o la velocità con cui le particelle si muovono in avanti, era molto più grande di quanto inizialmente previsto.

Rispetto a un sistema più aperto, come l'acquario, avere un canale confinato sembra aumentare il movimento delle particelle, dice Mathijssen. "Se sei in un mondo tridimensionale, l'energia che inietti nel tuo sistema si diffonde in tutte le direzioni. Qui, dove viene focalizzato su un piano bidimensionale, la forza dei flussi è maggiore. È quasi come se avessi una veglia davanti e dietro, quindi l'effetto è due volte più forte, effettivamente, " lui dice.

Un'altra scoperta sorprendente è stata la potenza di questo effetto anche su lunghe distanze in un sistema come questo con un numero di Reynolds basso, un valore utilizzato dagli scienziati per prevedere i modelli di flusso del liquido. I sistemi con numeri di Reynolds bassi hanno flusso laminare (come una cascata), e quelli con valori alti sono più turbolenti.

"Qui, la differenza tra i numeri di Reynolds basso e alto è che, a bassi numeri di Reynolds, questi flussi tendono ad essere molto a lungo raggio. Anche se sei a 10 lunghezze di corpo, questi flussi sono ancora significativi. A numeri di Reynolds più alti, questo non è necessariamente vero perché hai molte turbolenze, e che disturba questo effetto di trascinamento, "dice Mathijssen.

I ricercatori pensano che ciò potrebbe essere dovuto alla simmetria anteriore e posteriore che si verifica in un sistema chiuso. "Ai bassi numeri di Reynolds, hai una pressione davanti alla goccia, e quella pressione spinge il liquido in avanti per una grande distanza, "dice Mathijssen.

Esperimenti futuri esamineranno come si manifesta questo effetto nei sistemi che hanno numeri di Reynolds più alti. Si pensa che i pesci si basino su un fenomeno simile quando nuotano uno dietro l'altro in grandi banchi, come i ciclisti che si sfidano in gruppo, quindi i ricercatori pensano che un effetto simile potrebbe verificarsi anche in altri sistemi.

E poiché la fisica sottostante descritta in questo studio si applica anche a molti altri, questi risultati hanno anche implicazioni per una serie di altri campi, dalla progettazione di sistemi di somministrazione dei farmaci, capire come i biofilm trasportano i nutrienti, e progettazione di materiali attivi, quelli che hanno rivestimenti o proprietà unici che li impregnano di caratteristiche dinamiche.

"Il quadro più grande in termini di fisica è vedere come i singoli componenti attivi possono lavorare insieme per dare origine a una funzionalità condivisa, quelli che chiamiamo fenomeni emergenti, a scala macroscopica, " dice Mathijssen. "E lì, non c'è un regolamento, non ci sono ancora leggi della fisica che descrivano questi sistemi che sono fuori equilibrio, quindi ci sono domande fondamentali di fisica teorica che devono ancora essere risolte."