Er kunnen oliedruppels worden gemaakt om zich als roofdieren te gedragen, op jacht naar andere druppeltjes die als prooi wegvluchten. Het gedrag, die wordt gecontroleerd door chemische signalering geproduceerd door de druppeltjes, bootst gedrag na dat wordt waargenomen bij levende organismen, maar tot nu, was niet opnieuw gemaakt in synthetische systemen. Dit afstembare chemische systeem zou mogelijk als model kunnen dienen om interacties in veellichamensystemen zoals scholen vissen, bacteriële kolonies, of zwermen insecten.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van wetenschappers van Penn State beschrijft het systeem in een paper dat op 16 november is gepubliceerd. 2020 in het journaal Natuur Chemie.

"Door de chemie van de oliedruppels te beheersen, we kunnen een systeem creëren waarin de druppeltjes zich actief gedragen en met elkaar communiceren via chemische gradiënten, " zei Lauren Zarzar, assistent-professor scheikunde aan Penn State en de leider van het onderzoeksteam. "Het opwindende dat we ontdekten, is dat je een systeem van druppeltjes kunt ontwerpen die 'niet-wederkerige' interacties vertonen. De ene druppel wordt aangetrokken door de andere, terwijl de ander wordt afgestoten, vergelijkbaar met het gedrag van roofdier en prooi."

De onderzoekers plaatsen microscopisch kleine druppeltjes van de twee verschillende oliën in een oplossing van water en een oppervlakteactieve stof - een verbinding die vaak wordt aangetroffen in zepen en die de oppervlaktespanning van vloeistoffen verlaagt. Een van de oliën lost gemakkelijker op in de oplossing van oppervlakteactieve stoffen, waardoor die druppeltjes een chemische gradiënt van oliemoleculen in de omgeving afgeven. Druppels worden afgestoten door de opgeloste olie.

"Aanvankelijk is deze oliewolk rond de druppeltjes in principe symmetrisch en bewegen de druppeltjes niet, " zei Caleb Meredith, een afgestudeerde student aan Penn State en co-eerste auteur van het papier. "Maar wat we ontdekten, is dat de prooidruppels een deel van de olie kunnen opnemen die vrijkomt door de roofdierdruppels, het opzetten van een source-sink uitwisseling van olie tussen de druppels. Als de druppels dichtbij genoeg komen, het creëert een asymmetrie in de chemische gradiënt tussen de twee druppels en zorgt ervoor dat de roofdierdruppel naar de prooi beweegt, een achtervolging opzetten."

De asymmetrie van de olie-chemische gradiënt gegenereerd door de bron en de gootsteen veroorzaakt een verschil in de oppervlaktespanning over het oppervlak van zowel de roofdier- als de prooidruppels. De gradiënt zorgt ervoor dat de predatordruppel (bron) naar de prooidruppel (sink) beweegt. evenzo, vanwege het effect van de geëmitteerde chemische gradiënt van het roofdier, de prooi wordt afgestoten door het naderende roofdier.

"Een van de verrassende resultaten is dat de twee oliedruppels chemisch niet erg van elkaar hoeven te verschillen om dit gedrag uit te lokken, " zei Zarzar. "We hebben gekeken naar een grote verscheidenheid aan chemische samenstellingen voor de oliën en oppervlakteactieve stoffen, waardoor we een reeks regels konden opstellen die deze interacties regelen. We kunnen deze regels gebruiken om de sterkte van de interacties af te stemmen door de samenstelling van de druppeloliën of oppervlakteactieve stof te regelen."

Het onderzoeksteam ontwikkelde ook een model, die gebaseerd is op metingen van de snelheden van het achtervolgen tussen individuele paren druppeltjes, was in staat om de beweging van veel druppels nauwkeurig te simuleren en te laten zien hoe ze zich organiseren in grotere clusters die op verschillende manieren bewegen.

"Ze zien er echt uit alsof ze soms leven, "zei Meredith. "Als meerdere druppels samenkomen in clusters, kunnen ze beginnen te roteren, stop en ga, bewegen in spiralen, en zelfs opgesplitst in kleinere clusters."

De onderzoekers zeggen dat door de soorten regels te begrijpen die deze interacties beheersen, hun systeem zou uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor het experimenteel modelleren van veellichamensystemen, variërend van het gedrag van grote aantallen dieren tot de interacties die mogelijk een rol hebben gespeeld in de evolutie van het vroege leven.

"Wat we doen is heel basaal, fundamenteel onderzoek waarbij de motivatie is om de processen op het werk te begrijpen die de activiteit van levenloze dingen zoals de oliedruppels kunnen beheersen, "zei Zarzar. "Maar, deze ideeën kunnen ook op andere gebieden worden toegepast, zoals zelfmontage, groepsgedrag, en zelfs bij het nadenken over de oorsprong van het leven op aarde, waar mengsels van eenvoudige chemische componenten zich op de een of andere manier moesten organiseren in niet-evenwichtsstructuren. Duidelijk, we kijken niet naar dezelfde chemicaliën, maar we kunnen misschien parameters of voorwaarden vaststellen die, bijvoorbeeld, aanleiding geven tot soortgelijke soorten interacties die hebben plaatsgevonden."