Geïnspireerd door microschaalbewegingen van de natuur, een groep onderzoekers van het Indian Institute of Technology Madras en het Institute of Mathematical Sciences, in Chennai, Indië, heeft een nieuw ontwerp ontwikkeld voor het transporteren van colloïdale deeltjes, kleine lading gesuspendeerd in stoffen zoals vloeistoffen of gels, sneller dan nu door diffusie mogelijk is.

Vloeistofwrijving bepaalt de traagheid op microschaal in vloeistof. Dit betekent, bijvoorbeeld, bloedcellen die in het bloed zwemmen, ondervinden ongeveer dezelfde hoeveelheid weerstand die een mens zou ervaren als hij door melasse probeert te zwemmen.

Zoals de groep meldt in The Journal of Chemical Physics ze hebben een model van actieve filamenten toegepast en vervolgens uitgebreid met deze hydrodynamische wrijvingsinteracties, specifiek omdat ze betrekking hebben op de snelheids- en efficiëntieanalyse van het transporteren van colloïdale deeltjes.

Door het zo te doen, konden de onderzoekers een realiseerbare actieve transportmotor ontwerpen, een aanzienlijke verbetering van de stand van de techniek voor het bestuderen van de cruciale rol van momentumbehoud in actieve systemen.

"Micro-organismen hebben gespecialiseerde organellen ontwikkeld, zoals trilhaartjes en flagellen, om de uitdagingen van, in de woorden van Nobelprijswinnaar [Edward] Purcell, 'leven bij een laag Reynoldsgetal, '" zei Raj Kumar Manna, een afgestudeerde student in de afdeling Natuurkunde aan het Indian Institute of Technology Madras. "Recente experimenten hebben aangetoond dat flagella-achtige 'afstraffing' in vitro kan worden bereikt, wat bewijst dat het mogelijk is om een ​​periodieke 'kloppende' beweging te verkrijgen zonder complexe biologische regulatie."

Door dit concept van biologisch onafhankelijke regulatie te combineren met "succesvolle synthese van zelfrijdende, anorganische deeltjes, " zei hij ook, stelden hen in staat een volledig kunstmatig microscopisch transportsysteem te creëren.

De groep begon aanvankelijk met het bestuderen van ontwerpen van dergelijke transportsystemen via computersimulatie om ontwerpen voor hun "ultieme synthese" in het laboratorium te vinden.

Volgens Manna, de meeste concepten in hun werk zijn meer dan een eeuw oud, daterend uit het midden van de 19e eeuw met het werk van wiskundige George Stokes aan de gelijknamige vergelijkingen voor langzame viskeuze stroming. Natuurkundige Marian Smoluchowski gebruikte dat werk vervolgens in de vroege jaren 1900 om de wrijving te berekenen, of de zogenaamde "hydrodynamische interactie, " tussen bolvormige deeltjes die in een viskeuze vloeistof bewegen. "We hebben deze technieken toegepast op de nieuwe situatie van zwemmen in een viskeuze vloeistof, ' zei Manna.

Met deze technieken lieten ze zien dat het mogelijk is om colloïdale lading te vervoeren via synthetische actieve filamenten. "We hebben een ontwerp gemaakt voor een volledig biocompatibele motiliteitsmotor die voor een breed scala aan toepassingen kan worden gebruikt, " Zei Manna. En zo'n variëteit wordt geboden door een verrassende bevinding.

"Snelheid en efficiëntie zijn niet gerelateerd binnen deze systemen, "zei Manna. "Als analogie, denk aan de energie die een sprinter van 100 meter en een marathonloper verbruikt. Voor een bepaald energiebudget het kan in een korte uitbarsting worden verbruikt om hoge snelheid te bereiken, of langzamer om lange afstanden te bereiken. Dit vereist andere ontwerpoverwegingen, dus ons werk biedt een manier om het gedrag van onze synthetische zwemmer tussen deze twee modi te schakelen."

Het werk heeft mogelijke implicaties voor procedures zoals gerichte medicijnafgifte en inseminatie. Algemener, het werk is relevant voor therapeutische interventies waar gebrekkige motiliteit in de fysiologie een probleem is.

"Het is moeilijk om de timing te voorspellen waarop een computerontwerp experimenteel moet worden gerealiseerd, en ga dan verder dan klinische proeven naar medisch gebruik. Maar, als de ontwikkeling in het verleden op dit gebied een leidraad is, we verwachten dat sommige van deze technologieën binnen een decennium of zo haalbaar zullen worden, ' zei Manna.

Wat de toekomst van de groep betreft, Manna zei, "We willen een toenemende mate van realisme in onze analyse opnemen om een ​​omgeving te creëren die meer op bloed lijkt, kijk naar geometrieën die meer op vertakte capillairen lijken, onderzoeken ontwerpen voor meer energie-efficiëntie, en ook nauwer samenwerken met experimentatoren."