Flydende krystaldråber som alsidige mikrosvømmere

Naturens mest almindelige svømmere er encellede organismer, såsom mikroalger, der svømmer mod lyskilder, og sædceller, der svømmer mod et æg. For en fysiker, celler er simpelthen biokemiske maskiner, som skal adlyde velbeskrevne love om kemi og fysik. Kan forskere derfor skabe livlignende, svømning af mikro-maskiner uden at påberåbe biologi?

Anført af fysikeren Corinna Maass, Active Soft Matter-gruppen på Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization har til formål at skabe bløde model svømmere fra rent flydende bestanddele. De har for nylig skabt stabil, selvkørende og styrbare dråbesvømmere med lukkede rum. Deres resultater offentliggøres i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Celle-lignende kunstige mikrosvømmere kunne levere nye og spændende applikationer, for eksempel, et svømmende mikroskopisk lægemiddelleveringssystem, der selv leder sig mod målorganet, og absorberes derefter ufarligt af kroppen. I øvrigt, rent fysiske mikrosvømmere kan levere modeller til at forstå fysikken, der styrer biologiske svømmere. Ved at bruge maksimalt forenklede model svømmere, Corinna Maaß og hendes gruppe tester, hvilke komponenter og mekanismer i en levende celle, der kan være unikt nødvendige for at levere specifikke funktioner.

"Vores kunstige celleprototyper skal opfylde flere krav:de skal selvkøre spontant; de skal kunne indeholde rum til transport af gods eller som grundlag for kemiske reaktioner; og de skal kunne kontrolleres, så vi selektivt kan vælge, hvordan de fungerer, og under hvilke betingelser de frigiver deres last, "Maaß forklarer.

Med sine kolleger Babak Vajdi Hokmabad og Kyle Baldwin, hun har med succes udført denne opgave, ved hjælp af et overraskende enkelt system:De producerede olieskaller, der omslutter en eller flere interne vandkerner, eller såkaldte aktive dobbeltemulsioner. Sådanne dråber kan begynde at bevæge sig spontant, hvis de får lov til at opløses langsomt i et koncentreret overfladeaktivt middel eller sæbeopløsning - på en måde, det overfladeaktive stof fungerer som et brændstof, der understøtter dråbens bevægelse, indtil det er fuldstændig opløst.

Stabile flydende krystaldråber

Typisk, en sådan emulsion er ustabil som olie- og vanddemix over tid - en effekt i dagligdagen som oliedekanter fra vinaigrette. Tilsvarende aktive svømmere med dobbelt emulsion er modtagelige for sprængning, så snart de bevæger sig, som den indre kerne fejes mod dråbegrænsen. Holdet var i stand til at stoppe skallerne fra at briste ved at vælge en flydende krystal som skalmaterialet.

Flydende krystaller er olier, der flyder på samme måde som en almindelig olie, men oliemolekylerne er arrangeret i et ordnet mønster, som foretrækker, at den vandige kerne er i midten af ​​dråben. Hvis kernen fejes til kanten under bevægelse, ordens forvrængning giver en kraft, der skubber den tilbage mod midten. Numeriske simuleringer af Christian Bahr har vist, at denne energibarriere er, Ja, tilstrækkelig til at stabilisere skallen. Sammenlignet med, teamets eksperimenter viser, at kun flydende krystalskaller forbliver stabile, mens skaller fremstillet af almindelige olier brister næsten øjeblikkeligt, så snart de begynder at svømme.

Ugle dråber og zigzag bevægelse

De stabile skaller svømmer derefter i op til flere timer, krymper, når de opløses, indtil de bliver for tynde og brister. I løbet af denne tid, deres bevægelse er fascinerende - de svømmer ikke i lige linjer, men i en indviklet bugtning, der minder om hajfinner. Babak Vajdi Hokmabad siger, "At, også, kan spores tilbage til grundlæggende fysik. Hvis kernen er uden for aksen i forhold til skalets bevægelsesretning, det vil opleve et drejningsmoment, der tvinger det ind på en kurve, der i sidste ende fører det tilbage på sit eget spor. Dette spor indeholder brugt brændstof, som afviser dråben igen. Drejningsmomentet vender, og med det, dråbens buede bevægelse vender også om. "

Desuden, gruppen demonstrerede, at denne slyngede adfærd kan slås fra efter behag - hvis skallen indeholder to kerner, de arrangerer symmetrisk omkring bevægelsesaksen. I dette tilfælde, der er intet drejningsmoment, og skallen svømmer lige. "Under polariseret mikroskopi har disse dobbeltkerne skaller et meget uglelignende udseende, "Siger Kyle Baldwin.

Forskerne fandt på flere måder at guide svømmerne på - dråber fastgøres til vægge, sådan at man kunne anlægge en "dråbejernbane, "og opsøger områder med højere brændstoftæthed.

Fleksible og styrbare svømmere

Disse egenskaber gør skallerne til fremragende biomimetiske model svømmere - de er sammenlignelige i størrelse, hastighed og deformerbarhed til egentlige bioswimmers, men uden komplicerede biokemiske komponenter. Deres bevægelse er sat af grundlæggende og elegante fysiske love og spontant brudte symmetrier, og ved at kontrollere disse symmetrier, forskere kan også kontrollere svømmeadfærden.

"En afgørende fordel ved dobbeltemulsioner er, at kernen ikke bidrager til bevægelsesmekanismen, og opløses ikke, enten, "siger Maaß." Således, vi kan funktionalisere det til at bære kemiske reagenser eller biologiske byggesten som proteiner eller enzymer, og på et tidspunkt, virkelig kopiere livets fysik. "