De meest voorkomende zwemmers van de natuur zijn eencellige organismen zoals microalgen die naar lichtbronnen zwemmen, en zaadcellen die naar een eicel zwemmen. Voor een natuurkundige cellen zijn gewoon biochemische machines, die goed beschreven wetten van scheikunde en natuurkunde moeten gehoorzamen. Kunnen wetenschappers daardoor levensechte, zwemmende micro-machines zonder een beroep te doen op biologie?

Onder leiding van natuurkundige Corinna Maass, de Active Soft Matter-groep van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization heeft tot doel zachte modelzwemmers te creëren van puur vloeibare bestanddelen. Ze hebben onlangs stabiele, zelfrijdende en bestuurbare druppelzwemmers met afgesloten compartimenten. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Celachtige kunstmatige microzwemmers kunnen nieuwe en opwindende toepassingen bieden, bijvoorbeeld, een zwemmend microscopisch medicijnafgiftesysteem dat zichzelf een weg baant naar het doelorgaan, en wordt vervolgens onschadelijk door het lichaam opgenomen. Bovendien, puur fysieke microzwemmers kunnen modellen leveren om de fysica van biologische zwemmers te begrijpen. Door gebruik te maken van maximaal vereenvoudigde modelzwemmers, Corinna Maaß en haar groep testen welke componenten en mechanismen van een levende cel uniek nodig kunnen zijn om specifieke functies te bieden.

"Onze prototypes van kunstmatige cellen moeten aan verschillende eisen voldoen:ze moeten zich spontaan voortbewegen; ze moeten compartimenten kunnen bevatten om vracht te vervoeren of als basis voor chemische reacties; en ze moeten controleerbaar zijn, zodat we selectief kunnen kiezen hoe ze opereren en onder welke voorwaarden ze hun lading vrijgeven, " legt Maa uit.

Met haar collega's Babak Vajdi Hokmabad en Kyle Baldwin, zij heeft deze taak met succes volbracht, met behulp van een verrassend eenvoudig systeem:ze produceerden oliegranaten die een of meer interne waterkernen omsluiten, of zogenaamde actieve dubbele emulsies. Dergelijke druppeltjes kunnen spontaan gaan bewegen als ze langzaam oplossen in een geconcentreerde oppervlakteactieve stof of zeepoplossing - op een bepaalde manier, de oppervlakteactieve stof fungeert als brandstof die de beweging van de druppel ondersteunt totdat deze volledig is opgelost.

Stabiele vloeibare kristaldruppels

Typisch, een dergelijke emulsie is onstabiel omdat olie en water in de loop van de tijd vermengen - een effect dat in het dagelijks leven wordt gezien als olie uit vinaigrette wordt gedecanteerd. evenzo, actieve zwemmers met dubbele emulsie zijn vatbaar voor barsten zodra ze bewegen, terwijl de interne kern naar de druppelgrens wordt geveegd. Het team was in staat om te voorkomen dat de schelpen barsten door een vloeibaar kristal als schelpmateriaal te kiezen.

Vloeibare kristallen zijn oliën die op dezelfde manier vloeien als een gewone olie, maar de oliemoleculen zijn gerangschikt in een geordend patroon, die er de voorkeur aan geeft dat de waterige kern zich in het midden van de druppel bevindt. Als de kern tijdens beweging naar de rand wordt geveegd, de vervorming van de orde zorgt voor een kracht die het terug naar het centrum duwt. Numerieke simulaties door Christian Bahr hebben aangetoond dat deze energiebarrière, inderdaad, voldoende om de schaal te stabiliseren. In vergelijking, de experimenten van het team tonen aan dat alleen vloeibare kristallen omhulsels stabiel blijven, terwijl schelpen gemaakt van gewone oliën bijna onmiddellijk barsten zodra ze beginnen te zwemmen.

Uildruppels en zigzagbeweging

De stalschelpen zullen dan tot enkele uren zwemmen, krimpen als ze oplossen, totdat ze te dun worden en barsten. Gedurende deze periode, hun beweging is fascinerend - ze zwemmen niet in rechte lijnen, maar in een ingewikkelde meanderende die doet denken aan haaienvinnen. Babak Vajdi Hokmabad zegt, "Dat, te, zijn terug te voeren op de fundamentele fysica. Als de kern buiten de as ligt ten opzichte van de bewegingsrichting van de schaal, het zal een koppel ervaren dat het in een bocht dwingt die het uiteindelijk terugleidt naar zijn eigen spoor. Dit pad bevat opgebruikte brandstof, die de druppel weer afstoot. Het koppel keert om, en daarmee de gebogen beweging van de druppel keert ook om."

Verder, de groep toonde aan dat dit meanderende gedrag naar believen kan worden uitgeschakeld - als de schaal twee kernen bevat, ze schikken symmetrisch rond de bewegingsas. In dit geval, er is geen koppel en de schaal zwemt rechtdoor. "Onder gepolariseerde microscopie hebben deze dubbele kernschalen een zeer uilachtig uiterlijk, ' zegt Kyle Baldwin.

De wetenschappers kwamen met meer manieren om de zwemmers te begeleiden:druppels hechten zich aan muren, zodat men een "druppelspoorlijn, " en zoek gebieden op met een hogere brandstofdichtheid.

Flexibele en bestuurbare zwemmers

Deze kenmerken maken de schelpen uitstekende zwemmers voor biomimetische modellen - ze zijn vergelijkbaar in grootte, snelheid en vervormbaarheid voor echte biozwemmers, maar zonder ingewikkelde biochemische componenten. Hun beweging wordt bepaald door fundamentele en elegante natuurwetten en spontaan verbroken symmetrieën, en door deze symmetrieën te beheersen, onderzoekers kunnen ook het zwemgedrag controleren.

"Een cruciaal voordeel van dubbele emulsies is dat de kern niet bijdraagt ​​aan het bewegingsmechanisme, en lost niet op, of, " zegt Maaß. "Dus, we kunnen het functionaliseren om chemische reagentia of biologische bouwstenen zoals eiwitten of enzymen te vervoeren, en op een gegeven moment echt de fysica van het leven nabootsen."