Een internationaal team onder leiding van professor Yilin Wu, Universitair hoofddocent van de afdeling Natuurkunde aan de Chinese Universiteit van Hong Kong (CUHK) heeft een nieuwe conceptuele vooruitgang geboekt op het gebied van actieve materiewetenschap. Het team ontdekte een nieuwe route waarin de zelforganisatie van actieve vloeistoffen in ruimte en tijd kan worden gecontroleerd door een enkele materiaaleigenschap die visco-elasticiteit wordt genoemd. Deze nieuwe bevinding kan de weg vrijmaken voor het fabriceren van een nieuwe klasse van zelfaangedreven apparaten en materialen, zoals het vermogen om de ritmische beweging van zachte robots te controleren zonder afhankelijk te zijn van elektronische circuits, en voor de studie van microbiële fysiologie. Het is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Een snel groeiend en interdisciplinair veld, actieve materie wetenschappelijke studies systemen bestaan ​​uit eenheden waar energie lokaal wordt besteed om mechanisch werk te genereren. Actieve materie omvat alle levende organismen, van cellen tot dieren, biopolymeren aangedreven door moleculaire motoren, en synthetische zelfrijdende materialen. Zelforganisatie (het proces van het produceren van geordende structuren via interactie tussen individuele eenheden) principes die uit deze systemen worden geleerd, kunnen worden toegepast in weefseltechnologie en bij het fabriceren van nieuwe bio-geïnspireerde apparaten of materialen.

De studie is opgezet door professor Wu en zijn voormalige Ph.D. student Song Liu (momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan het Institute for Basic Science in Korea). Ze hebben een langetermijnbelang in het begrijpen van de fysieke verschijnselen van zelforganisatie in biologisch actieve materie, met een focus op actieve vloeistoffen bestaande uit beweeglijke micro-organismen. In een eerder artikel waarin werd samengewerkt met buitenlandse natuurkundigen, gepubliceerd in: Natuur in 2017, ze rapporteerden een zwak synchronisatiemechanisme voor biologische collectieve oscillatie, waarin robuuste temporele orde voortkomt uit een groot aantal grillige maar zwak gekoppelde trajecten van individuele cellen in bacteriële suspensies. Echter, de gelijktijdige controle van ruimtelijke en temporele orde is uitdagender.

In de nieuwe studie het CUHK-onderzoeksteam vond aanwijzingen in visco-elasticiteit, een gemeenschappelijke eigenschap van complexe vloeistoffen die zowel vloeistofachtige als vaste stofachtige reacties hebben op vervorming. Terwijl de visco-elasticiteit van een bacteriële actieve vloeistof wordt gemanipuleerd met DNA-polymeren, vond het team spectaculaire fenomenen. De bacteriële actieve vloeistof ordent zich eerst in de ruimte tot een roterende vortex op millimeterschaal, toont vervolgens tijdelijke organisatie terwijl de gigantische vortex zijn wereldwijde chiraliteit periodiek verandert met afstembare frequentie, als een zelfaangedreven torsieslinger. Het team geloofde dat deze opvallende verschijnselen mogelijk voortkomen uit het samenspel tussen actieve forcering en visco-elastische spanningsrelaxatie. Visco-elastische relaxatie vindt plaats op een tijdschaal die overeenkomt met de overgang van vast-achtige naar vloeistof-achtige reacties wanneer een complexe vloeistof wordt vervormd.

Om de waargenomen verschijnselen beter te begrijpen, werkten de CUHK-onderzoekers samen met theoretisch natuurkundigen Cristina Marchetti, Professor van de Universiteit van Californië, Santa Barbara en haar voormalige Ph.D. student Suraj Shankar, nu een Junior Fellow van de Harvard University. De twee theoretici ontwikkelden een model van actieve materie dat bacteriële activiteit koppelt, polymeer elastische spanning, en de velden van bacteriële snelheid en polarisatie. Analyse en computersimulaties van het model reproduceren alle belangrijke experimentele bevindingen, en ook het begin van ruimtelijke en temporele orde verklaren in termen van de competitie tussen de tijdschalen van visco-elastische relaxatie en actieve forcering.

Deze nieuwe bevindingen tonen voor het eerst experimenteel aan dat de visco-elasticiteit van materialen kan worden gebruikt om de zelforganisatie van actieve materie te beheersen. Het zal de ontwikkeling van niet-evenwichtsfysica voeden en kan de weg vrijmaken voor het fabriceren van een nieuwe klasse van adaptieve, zelfaangedreven apparaten en materialen. Bijvoorbeeld, wanneer gekoppeld aan aandrijfsystemen van zachte robots, de afstembare en zelfoscillerende vortex op millimeterschaal kan worden gebruikt als een 'klokgenerator' die timingsignalen levert voor geprogrammeerd microfluïdisch pompen en voor het regelen van de ritmische beweging van zachte robots, zonder afhankelijk te zijn van elektronische schakelingen. Bovendien, bacteriën in biofilms en dierlijke maagdarmkanalen zwemmen vaak in visco-elastische vloeistoffen die overvloedig aanwezig zijn in polymeren met lange ketens. De nieuwe bevindingen suggereren ook dat de visco-elasticiteit van de omgeving de collectieve bewegingspatronen van bacteriën kan wijzigen, daardoor de verspreiding van biofilms en de translocatie van het darmmicrobioom beïnvloeden.