Hvordan skoler af mikrosvømmere kan øge deres lastkapacitet

En ny undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve beskriver en måde at øge lastkapaciteten af ​​mikroskopiske, selvkørende dråber kendt som "mikrosvømmere". Forskere fra University of Pennsylvania og Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation fandt, at når en skole af mikrosvømmere bevæger sig i samme retning inde i en smal kanal, de kan øge antallet af partikler, de kan bære med 10 gange. Deres resultater har implikationer for anvendelser lige fra lægemiddelleveringssystemer til materialer med aktive belægninger.

Ligesom mange videnskabelige bestræbelser, denne begyndte med en simpel observation. Mens du deltog i en konferencemiddag i Georgia Aquarium, fysiker Arnold Mathijssen og hans kolleger bemærkede, at store stimer af svømmende fisk så ud til at bære små partikler og snavs i deres kølvand. Dette sker på grund af hydrodynamisk medrivning, en proces, hvor når en genstand bevæger sig gennem væske, det genererer et flow og får objekter i nærheden til at blive trukket med sig.

"Vi spekulerede på, Mens fiskene i akvariet svømmer fremad, bliver en partikel også trukket fremad, eller er den skubbet bagud af halen?" siger Mathijssen. "Vores centrale spørgsmål var, om de her fyre flytter tingene frem eller ej, og hypotesen var, at hvis vi kan se dette ske i akvariet, måske er dette også anvendeligt under et mikroskop."

For at besvare spørgsmålet, Max Planck Institute-forskere Chenyu Jin, Yibo Chen, og Corinna Maass kørte eksperimenter med syntetiske mikrosvømmere, selvkørende dråber af olie og overfladeaktivt stof, der er et modelsystem for mikroskopiske robotter. Ved at bruge deres mikrosvømmere, forskerne var i stand til at måle styrken af ​​de strømme, der blev genereret af en individuel svømmer, og mængden af ​​materiale, som en person kunne bære med sig, når de rejste gennem en todimensionel kanal. Derefter, når dataene er blevet indsamlet, Mathijssen og hans gruppe udviklede en teoretisk model til at forklare deres resultater.

En særlig udfordring for at udvikle modellen var at udtænke en måde at beskrive virkningerne af væggene i den mikroskopiske kanal, fordi, i modsætning til i akvariet, dette eksperiment blev udført i et begrænset rum. "Den indespærring påvirker virkelig strømmene og, som resultat, påvirker den samlede mængde ting, du kan transportere. Der er en del litteratur med hensyn til modellering af aktive partikler, men det er svært at få det rigtigt i komplekse miljøer, siger Mathijssen.

Ved at bruge deres data og nyudviklede model, forskerne fandt ud af, at transportkapaciteten for en individuel mikrosvømmer kunne øges med 10 gange, når de svømmede sammen inde i en smal kanal. De fandt også, at medbringelseshastigheden, eller den hastighed, hvormed partikler bevæger sig fremad, var meget større end først forventet.

Sammenlignet med et mere åbent system, ligesom akvariet, at have en begrænset kanal synes at forbedre bevægelsen af ​​partikler, siger Mathijssen. "Hvis du er i en tredimensionel verden, energien du sprøjter ind i dit system spredes ud i alle retninger. Her, hvor det bliver fokuseret ind i et todimensionelt plan, styrken af ​​strømmene er større. Det er næsten, som om du har et kølvand foran og bagpå, så effekten er dobbelt så stærk, effektivt, " han siger.

En anden overraskende opdagelse var, hvor kraftig denne effekt kunne være selv over lange afstande i et system som dette med et lavt Reynolds-tal, en værdi, der bruges af forskere til at forudsige væskestrømningsmønstre. Systemer med lave Reynolds-tal har glatte, laminær strømning (som et vandfald), og dem med høje værdier er mere turbulente.

"Her, forskellen mellem de lave og høje Reynolds tal er, at ved lave Reynolds-tal, disse strømme har en tendens til at være meget langtrækkende. Selvom du er 10 kropslængder væk, disse strømme er stadig betydelige. Ved højere Reynolds-tal, det er ikke nødvendigvis sandt, fordi du får en masse turbulens, og det forstyrrer denne medrivende effekt, siger Mathijssen.

Forskerne tror, ​​at det kan skyldes den for- og bagsymmetri, der opstår i et lukket system. "Ved lave Reynolds tal, du har et tryk foran dråben, og det tryk skubber væsken fremad et stort stykke, siger Mathijssen.

Fremtidige eksperimenter vil se på, hvordan denne effekt udspiller sig i systemer, der har højere Reynolds-tal. Det menes, at fisk er afhængige af et lignende fænomen, når de svømmer tæt bag hinanden i store stimer, beslægtet med cyklister, der trækker fra hinanden i en peloton, så forskerne tror, ​​at en lignende effekt også kan ske i andre systemer.

Og fordi den underliggende fysik beskrevet i denne undersøgelse også gælder for mange andre, disse resultater har også betydning for en række andre områder, fra design af lægemiddelleveringssystemer, at forstå, hvordan biofilm transporterer næringsstoffer, og design af aktive materialer, dem, der har unikke belægninger eller egenskaber, der gennemsyrer dem med dynamiske funktioner.

"Det større billede med hensyn til fysik er at se, hvordan individuelle aktive komponenter kan arbejde sammen for at give anledning til en fælles funktionalitet, det vi kalder emergente fænomener, i makroskopisk skala, siger Mathijssen. Og der, der er ingen regelbog, der er endnu ingen fysiske love, der beskriver disse systemer, der er ude af ligevægt, så der er grundlæggende teoretiske fysikspørgsmål, der mangler at blive besvaret."