Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben onderzocht hoe microzwemmers, zoals bacteriën of sperma, zwemmen door vloeistoffen met zowel vaste als vloeistofachtige eigenschappen, bijv. gels. Ze ontdekten dat subtiele veranderingen in de gelaatstrekken van een zwemmer, zijn structuur, en hoe het beweegt roept een dramatisch andere reactie op dan de vloeistof. Ze ontdekten ook dat de overeenkomst in grootte tussen de structuur van de vloeistof en de zwemmer leidde tot een breed scala aan interessant gedrag.

Zwemmen is een lastige aangelegenheid voor het micro-organisme. Een duik in het zwembad lijkt misschien niet zo moeilijk, maar op microscopische schaal, of bij lage Reynoldsgetallen, het effect van vloeistofviscositeit legt ernstige beperkingen op aan zwemmen. Nog, de natuur bereikt het; microzwemmers spelen een vitale rol in een breed scala aan fenomenen, waaronder de beweeglijkheid van het sperma en de actieve beweging van bacteriën.

Om zwemmers te begrijpen, eerdere studies hebben zich gericht op minimale modellen van zwemmergedrag in uniforme vloeistoffen. Een bijzonder populair model is de zogenaamde "drie-bol microswimmer, " een reeks van drie microscopisch kleine bollen die met armen aan elkaar zijn bevestigd; de draad kan worden voortgestuwd door de armen heen en weer te pompen in een vloeistof. Deze eenvoudige reeks overwint de beperkingen van de "scallop"-stelling van Purcell, die zegt dat beweging die er hetzelfde uitziet wanneer achteruit afgespeeld (tijdomkeringssymmetrie), als een sint-jakobsschelp die opent en sluit, kan niet worden gebruikt voor voortbeweging.

Maar hoe zit het met de vloeistof? In het geval van sperma dat door baarmoederhalsslijm reist om eieren te bereiken bij reproductie van zoogdieren, het slijm is een voorbeeld van zachte materie, waar de interne structuur, in dit geval gemaakt van suikers en eiwitten, reageert op een complexe manier op de beweging van de zwemmer. Om dit probleem aan te pakken, een team bestaande uit Kento Yasuda en universitair hoofddocent Shigeyuki Komura van de Tokyo Metropolitan University en Ryuichi Okamoto, een docent aan de Okayama University, onderzocht hoe microzwemmers met drie bollen zich gedragen in een gestructureerde vloeistof, een polymeergel, b.v. gelei.

Uit hun analyse bleek dat er grofweg twee mechanismen waren om beweging te bereiken:een door de tijdomkeringssymmetrie te doorbreken, de andere door de amplitudes in het slaan van de twee armen van de zwemmer te moduleren. Met de laatste, men ontdekte dat zwemmen kon worden bereikt zonder de vroegere symmetrie te verbreken, een maas in de scallop-stelling. Door verdere gedetailleerde analyse, ze slaagden erin uitdrukkingen af ​​te leiden voor hoe de snelheid van de zwemmer verband hield met hoe een gestructureerde vloeistof de beweging van een zwemmer weerstaat. interessant, ze ontdekten dat wanneer zwemmers groter waren dan de maaswijdte van de gel, er was meer weerstand met sneller kloppen, een enigszins contra-intuïtieve conclusie.

Dit werk markeert een aanzienlijke vooruitgang bij het dichter brengen van een populair minimaal zwemmermodel bij experimenteel relevante gevallen, inclusief het kloppen van haren ("cilia") op cellen en de beweeglijkheid van bacteriën. Het kan ook worden toegepast op meer exotische scenario's, bijv. de voortbeweging van robots door puin na aardverschuivingen. De studie is online gepubliceerd in het tijdschrift Eurofysica-brieven .