Tutkijat kehittivät mikrouimarin, joka rikkoo fluididynamiikan lakeja

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergin (FAU), Liègen yliopiston ja Helmholtz-instituutin Erlangen-Nürnbergin uusiutuvan energian tutkimusryhmän tutkijat ovat kehittäneet uuden mikrouimarin, joka rikkoo fluididynamiikan lakeja. Uimari voi olla sovellettavissa alueilla, kuten terveydenhuollossa, jossa sitä voidaan käyttää lääkkeiden kuljettamiseen veressä.

Tutkijaryhmän malli koostuu kahdesta toisiinsa liitetyistä heloista, ja se on propellattu täysin symmetrisillä värähdyksillä. Scallop-teoreeman mukaan tämä ei pitäisi olla mahdollista fluidijärjestelmissä.

Tutkijoiden löydökset julkaistiin Physical Review Letters -julkaisussa.

Simpukat ja uimari

Simpukat uivat veden läpi sulkeakseen kuoriansa, ja kun simpukka avaa kuoriansa seuraavaa aaltoa varten, sen suuri koko työntää sitä eteenpäin inertian hetkellä. Scallop-teoreema kuitenkin soveltuu enemmän tai vähemmän riippuen fluidin tiheydestä ja viskositeetista.

Teoreeman mukaan uimari, joka tekee symmetrisiä tai vastavirtaista eteen- ja taaksepäin liikettä, samalla tavalla kuin simpukka avaa ja sulkee kuoriansa, johtaa todennäköisesti hyvin pieniin liikkeisiin.

Tohtori Maxime Hubert on postdoc-tutkija professori Dr. Ana-Suncana Smithin ryhmässä FAU:n teoreettisen fysiikan instituutissa.

“Uida veden läpi on yhtä hankalaa mikroskooppisille organismeille kuin uida tervassa olisi ihmisille”, tohtori Hubert sanoo. “Tämän vuoksi yksisoluiset organismat ovat suhteellisen monimutkaisia liikkumistapoja, kuten värähteleviä karvoja tai pyöriviä flagella.”

FAU:n tutkijaryhmä teki yhteistyötä Liègen yliopiston ja Helmholtz-instituutin tutkijoiden kanssa kehittääkseen samanlaisen uimarin, joka näyttää olevan rajoittamaton Scallop-teoreemalla. Melko yksinkertainen malli toimii lineaarisella jousella, joka yhdistää kaksi erikokoista helaa. Mikrouimari on edelleen kykenevä liikkumaan fluidissa, kun jousi laajenee ja supistuu symmetrisesti ajan suhteen.

“Aluksi testasimme tämän periaatteen tietokonesimulaatioilla”, Maxime Hubert sanoo. “Sitten rakensimme toimivan mallin.”

Tutkijaryhmä testasi mallia asettamalla kaksi teräshelaa, jotka olivat vain muutamia satoja mikrometrejä halkaisijaltaan, veden pinnalle Petri-astiaan. Jousen supistuminen edustettiin veden pinnanjännityksellä, ja magneettikenttää käytettiin saavuttamaan laajentuminen vastakkaiseen suuntaan. Tämä järjestelmä aiheutti mikrohelien jaksollisen torjunnan toisiaan vastaan.

Praktiset sovellukset

Uimari saavuttaa itsenäisen liikkumisen eri kokoisten helien ansiosta.

Tohtori Hubertin mukaan “Pienempi heli reagoi paljon nopeammin jousen voimaan kuin suurempi heli. Tämä aiheuttaa epäsymmetrisen liikkeen ja suurempi heli vetäytyy pienemmän helin mukana. Käytämme siis inertian periaatetta, mutta tässä tapauksessa olemme kiinnostuneita kehojen välisestä vuorovaikutuksesta eikä kehojen ja veden välisestä vuorovaikutuksesta.”

Vaikka järjestelmä ei ole erityisen nopea, se liikkuu eteenpäin noin tuhannesosan ruumiinpituudestaan jokaisen värähdysjakson aikana. Kuitenkin uuden järjestelmän ylivoimaisin ja tärkein tekijä on sen rakenteen ja mekanismin yksinkertaisuus.

Tutkijaryhmä sanoo, että tällainen järjestelmä voisi olla käytettävissä kehittääkseen pieniä uimareita, joilla voisi olla monia käytännön sovelluksia alueilla, kuten terveydenhuollossa. Esimerkiksi niitä voisi käyttää lääkkeiden kuljettamiseen veressä tarkkaan määrättyyn paikkaan.

“Periaate, jonka olemme löytäneet, voisi auttaa meitä rakentamaan pieniä uimareita”, tohtori Hubert sanoo. “Jonain päivänä ne voivat olla käytettävissä lääkkeiden kuljettamiseen veressä tarkkaan määrättyyn paikkaan.”