Simulering af mikrosvømmere i nematiske væsker

Kunstige mikrosvømmere har fået stor opmærksomhed i de seneste år. Ved at efterligne mikrober, der omdanner deres omgivende energi til svømmebevægelser, disse partikler kunne snart blive udnyttet til mange vigtige anvendelser. Men før dette kan ske, forskere skal udvikle metoder til bedre at kontrollere individuelle mikrosvømmers baner i komplekse miljøer. I en ny undersøgelse offentliggjort i EPJ E , Shubhadeep Mandal ved Indian Institute of Technology Guwahati (Indien), og Marco Mazza ved Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen (Tyskland) og Loughborough University (UK), vise hvordan denne kontrol kunne opnås ved hjælp af eksotiske materialer kaldet 'nematiske flydende krystaller' (LC'er) - hvis viskositet og elasticitet kan variere afhængigt af retningen af ​​en påført kraft.

Duoens opdagelser kunne informere den fremtidige brug af fragtbærende mikrosvømmere i sarte medicinske procedurer:herunder levering af lægemidler, overvågning af sygdomme, og ikke-invasiv kirurgi. Gennem brug af biokompatible nematiske LC'er, disse teknikker kunne let og sikkert integreres med patienternes kroppe. Typisk, mikrosvømmere driver sig fremad ved enten at skubbe eller trække væsken, der omgiver dem. Indtil nu, disse bevægelser er ikke blevet bredt undersøgt i mindre konventionelle væsker som nematiske LC'er - som har ordnede krystalstrukturer, men kan også flyde som væsker.

Mandal og Mazza studerede dette scenario ved hjælp af 'multiparticle collision dynamics' algoritmer, som beskriver hvordan atomstrukturer af nematiske LC'er varierer over tid. Kombineret med simuleringer af sfæriske mikrosvømmere, algoritmerne tillod dem at undersøge, hvordan de retningsafhængige viskositeter og elasticiteter af nematiske LC'er kan påvirke hastigheder og orienteringer af sfæriske mikrosvømmere. Tidligere undersøgelser viste, at deres bevægelser er stærkt forskellige fra dem, der findes i konventionelle væsker; med mikrosvømmere, der følger ikke-tilfældige baner for at minimere deres elastiske energi. Mandal og Mazza viser nu også, at en mikroswimmers hastighed vil variere afhængigt af, om den skubber eller trækker den omgivende væske; og bliver også langsommere, når den skubber med en stærkere kraft. Duoen håber nu, at deres simuleringsteknikker let kan udvides til at modellere dynamikken i flere mikrosvømmere.