Een nieuwe studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven beschrijft een manier om de laadcapaciteit van microscopische, zelfrijdende druppeltjes die bekend staan ​​als 'microzwemmers'. Onderzoekers van de University of Pennsylvania en het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation ontdekten dat wanneer een school microzwemmers zich in dezelfde richting in een smal kanaal beweegt, ze kunnen het aantal deeltjes dat ze kunnen dragen met een factor 10 verhogen. Hun bevindingen hebben implicaties voor toepassingen variërend van medicijnafgiftesystemen tot materialen met actieve coatings.

Zoals veel wetenschappelijke inspanningen, deze begon met een simpele observatie. Tijdens het bijwonen van een conferentiediner in het Georgia Aquarium, natuurkundige Arnold Mathijssen en zijn collega's merkten op dat grote scholen zwemmende vissen kleine deeltjes en puin in hun kielzog leken te dragen. Dit gebeurt vanwege hydrodynamisch meesleuren, een proces waarbij als een object door vloeistof beweegt, het genereert een stroom en zorgt ervoor dat objecten in de buurt meegesleept worden.

"We vroegen ons af, Terwijl de vissen in het aquarium naar voren zwemmen, wordt een deeltje ook naar voren gesleept, of wordt het met de staart naar achteren geduwd?", zegt Mathijssen. "Onze centrale vraag was of deze jongens de zaken vooruit brengen of niet, en de hypothese was dat, als we dit in het aquarium kunnen zien gebeuren, misschien is dit ook toepasbaar onder een microscoop."

Om de vraag te beantwoorden, Max Planck Instituut-onderzoekers Chenyu Jin, Yibo Chen, en Corinna Maass deden experimenten met synthetische microzwemmers, zelfrijdende druppels olie en oppervlakteactieve stoffen die een modelsysteem zijn voor microscopische robots. Met behulp van hun microzwemmers, de onderzoekers waren in staat om de sterkte te meten van de stromen die door een individuele zwemmer werden gegenereerd en de hoeveelheid materiaal die een persoon bij zich kon dragen terwijl ze door een tweedimensionaal kanaal reisden. Vervolgens, zodra de gegevens zijn verzameld, Mathijssen en zijn groep ontwikkelden een theoretisch model om hun bevindingen te helpen verklaren.

Een bijzondere uitdaging voor het ontwikkelen van het model was het bedenken van een manier om de effecten van de wanden van het microscopische kanaal te beschrijven, omdat, in tegenstelling tot in het aquarium, dit experiment werd uitgevoerd in een besloten ruimte. "Die opsluiting heeft echt invloed op de stromen en, als resultaat, beïnvloedt de totale hoeveelheid spullen die u kunt vervoeren. Er is nogal wat literatuur over het modelleren van actieve deeltjes, maar het is moeilijk om het goed te doen in complexe omgevingen, ', zegt Mathijssen.

Met behulp van hun gegevens en nieuw ontwikkelde model, de onderzoekers ontdekten dat de transportcapaciteit van een individuele microzwemmer met een factor 10 kon worden verhoogd wanneer ze samen in een smal kanaal zwommen. Ze vonden ook dat de entrainment snelheid, of de snelheid waarmee deeltjes vooruit bewegen, was veel groter dan aanvankelijk gedacht.

In vergelijking met een meer open systeem, zoals het aquarium, het hebben van een beperkt kanaal lijkt de beweging van deeltjes te verbeteren, zegt Mathijssen. "Als je in een driedimensionale wereld bent, de energie die u in uw systeem injecteert, wordt in alle richtingen verspreid. Hier, waar het wordt gefocust op een tweedimensionaal vlak, de sterkte van de stromen is groter. Het is bijna alsof je een kielzog hebt aan de voor- en achterkant, dus het effect is twee keer zo sterk, effectief, " hij zegt.

Een andere verrassende bevinding was hoe krachtig dit effect zelfs over lange afstanden kon zijn in een systeem als dit met een laag Reynoldsgetal, een waarde die door wetenschappers wordt gebruikt om vloeistofstroompatronen te voorspellen. Systemen met lage Reynoldsgetallen hebben vloeiende, laminaire stroming (zoals een waterval), en die met hoge waarden zijn turbulenter.

"Hier, de verschillen tussen de lage en hoge Reynoldsgetallen is dat, bij lage Reynoldsgetallen, deze stromen hebben de neiging om zeer lange afstanden te zijn. Zelfs als je 10 lichaamslengtes verwijderd bent, deze stromen zijn nog steeds aanzienlijk. Bij hogere Reynoldsgetallen, dat is niet per se waar omdat je veel turbulentie krijgt, en dat verstoort dit meeslepende effect, ', zegt Mathijssen.

De onderzoekers denken dat dit te wijten kan zijn aan de voor- en achtersymmetrie die optreedt in een gesloten systeem. "Bij lage Reynolds-getallen, je hebt een druk voor de druppel, en die druk duwt de vloeistof over een grote afstand naar voren, ’ zegt Mathijssen.

Toekomstige experimenten zullen kijken hoe dit effect zich afspeelt in systemen met hogere Reynolds-getallen. Men denkt dat vissen afhankelijk zijn van een soortgelijk fenomeen wanneer ze dicht achter elkaar zwemmen in grote scholen, zoals wielrenners die in een peloton op elkaar afslaan, dus de onderzoekers denken dat een soortgelijk effect ook in andere systemen kan optreden.

En omdat de onderliggende natuurkunde die in deze studie wordt beschreven ook voor vele andere geldt, deze bevindingen hebben ook gevolgen voor een aantal andere gebieden, van het ontwerpen van medicijnafgiftesystemen, begrijpen hoe biofilms voedingsstoffen transporteren, en het ontwerpen van actieve materialen, degenen die unieke coatings of eigenschappen hebben die hen doordrenken met dynamische eigenschappen.

"Het grotere plaatje in termen van fysica is om te zien hoe individuele actieve componenten kunnen samenwerken om een ​​gedeelde functionaliteit te creëren, wat we opkomende verschijnselen noemen, op macroscopische schaal, " zegt Mathijssen. "En daar, er is geen regelboek, er zijn nog geen natuurwetten die deze systemen beschrijven die uit evenwicht zijn, dus er zijn fundamentele theoretische natuurkundige vragen die nog moeten worden beantwoord."