Vědci vyvinuli mikroplavce, který porušuje zákony tekutinové dynamiky

Vědci z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), University of Liège a Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy vyvinuli nový mikroplavce, který porušuje zákony tekutinové dynamiky. Tento plavce by mohl mít aplikace v oblastech, jako je zdravotnictví, kde by mohl být použit pro transport léků skrze krev.

Týmův model se skládá ze dvou koulí spojených lineárním pružinou a je poháněn zcela symetrickými oscilacemi. Podle Scallopova teorému by to nemělo být možné v mikrofluidních systémech.

Výsledky výzkumu byly publikovány v Physical Review Letters.

Škeble a plavce

Škeble plave skrze vodu tím, že plácnou svými lasturami, a zatímco škeble otevírá lasturu pro další tah, její velikost ji pohání skrze setrvačnost. Scallopova teorém se však uplatňuje více nebo méně v závislosti na hustotě a viskozitě tekutiny.

Podle teorému by plavce, který provádí symetrické nebo reciproční pohyby vpřed a vzad, podobně jako škeble otevírá a zavírá lasturu, pravděpodobně vyústil v velmi malé pohyby.

Dr. Maxime Hubert je postdoktorandský výzkumník v Prof. Dr. Ana-Suncana Smithově skupině na Institutu teoretické fyziky FAU.

“Plavání skrze vodu je pro mikroskopické organismy stejně těžké jako plavání skrze smolu by bylo pro lidi,” říká Dr. Hubert. “To je důvod, proč mají jednobuněčné organismy relativně složité mechanismy pohybu, jako jsou vibrace chlupů nebo rotace bičíků.”

Tým FAU spolupracoval s výzkumníky z University of Liège a Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy na vývoji podobného plavce, který se zdá být neomezený Scallopovou teorií. Docela jednoduchý model funguje s lineární pružinou, která spojuje dvě různé velikosti koulí. Mikroplavce je stále schopen pohybu skrze tekutinu, když se pružina expanduje a kontrahuje symetricky pod časovou inverzí.

“Původně jsme otestovali tuto princip pomocí počítačových simulací,” říká Maxime Hubert. ‘Pak jsme postavili funkční model.”

Tým otestoval model umístěním dvou ocelových koulí, které měly pouze několik set mikrometrů v průměru, na povrch vody uvnitř Petriho misky. Kontrakce pružiny byla reprezentována povrchovým napětím vody a magnetické pole bylo použito k dosažení expanze v opačném směru. Tento systém způsobil, že mikrokoule se periodicky odpuzovaly.

Reálné použití

Plavce dosahuje samočinného pohybu díky rozdílným velikostem koulí.

Podle Dr. Huberta “menší koule reaguje mnohem rychleji na sílu pružiny než větší koule. To způsobuje asymetrický pohyb a větší koule je tažena spolu s menší koulí. Používáme tedy princip setrvačnosti, s tím rozdílem, že zde se zabýváme interakcí mezi tělesy, nikoli interakcí mezi tělesy a vodou.”

Ačkoli je systém není neuvěřitelně rychlý, pohybuje se vpřed asi o tisícину své délky během každé oscilační cykly. Nicméně nejpozoruhodnější a nejdůležitější faktor nového systému je jednoduchost jeho konstrukce a mechanismu.

Tým říká, že takový systém by mohl být použit k vývoji malých plavců, které by mohly mít mnoho reálných použití v sektorech, jako je zdravotnictví. Například by mohly být použity pro transport léků.

“Princip, který jsme objevili, by mohl pomoci nám postavit malé plavce,” říká Dr. Hubert. “Jednoho dne by mohly být použity k transportu léků skrze krev do přesného místa.”