Les chercheurs développent un micro-nageur qui défie les lois de la dynamique des fluides

Les chercheurs de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU), de l’Université de Liège et de l’Institut Helmholtz d’Erlangen-Nuremberg pour les énergies renouvelables ont développé un nouveau micro-nageur qui défie les lois de la dynamique des fluides. Le nageur pourrait avoir des applications dans des domaines tels que les soins de santé, où il pourrait être utilisé pour transporter des médicaments à travers le sang.

Le modèle de l’équipe se compose de deux perles connectées par un ressort linéaire, et il est propulsé par des oscillations complètement symétriques. Selon le théorème de la coquille Saint-Jacques, cela ne devrait pas être possible dans les microsystèmes fluides.

Les résultats de l’équipe ont été publiés dans Physical Review Letters.

Les coquilles Saint-Jacques et le nageur

Les coquilles Saint-Jacques nagent à travers l’eau en claquant leurs coquilles ensemble, et tandis que la coquille s’ouvre pour le prochain coup, sa grande taille la propulse à travers le moment d’inertie. Le théorème de la coquille Saint-Jacques s’applique plus ou moins en fonction de la densité et de la viscosité du fluide.

Selon le théorème, un nageur qui effectue des mouvements symétriques ou réciproques avant-arrière, similaires à la façon dont une coquille Saint-Jacques ouvre et ferme sa coquille, entraînera probablement un mouvement très faible.

Le Dr Maxime Hubert est un chercheur postdoctoral dans le groupe du Prof. Dr. Ana-Suncana Smith à l’Institut de physique théorique de la FAU.

« Nager à travers l’eau est aussi difficile pour les organismes microscopiques que nager à travers la poix le serait pour les humains », déclare le Dr Hubert. « C’est pourquoi les organismes unicellulaires ont des moyens de propulsion relativement complexes, tels que des poils vibrants ou des flagelles rotatifs. »

L’équipe de la FAU a collaboré avec des chercheurs de l’Université de Liège et de l’Institut Helmholtz d’Erlangen-Nuremberg pour les énergies renouvelables pour développer un nageur similaire qui semble ne pas être limité par le théorème de la coquille Saint-Jacques. Le modèle relativement simple fonctionne avec un ressort linéaire qui relie deux perles de tailles différentes. Le micro-nageur est toujours capable de se déplacer à travers le fluide lorsque le ressort se dilate et se contracte symétriquement sous renversement du temps.

« Nous avons d’abord testé ce principe à l’aide de simulations informatiques », déclare Maxime Hubert. « Nous avons ensuite construit un modèle fonctionnel. »

L’équipe a testé le modèle en plaçant deux perles d’acier, qui n’avaient que quelques centaines de micromètres de diamètre, sur la surface de l’eau à l’intérieur d’une boîte de Petri. La contraction du ressort a été représentée par la tension de surface de l’eau, et un champ magnétique a été utilisé pour obtenir une expansion dans la direction opposée. Ce système a provoqué la répulsion périodique des micro-perles.

Utilisations dans le monde réel

Le nageur atteint l’auto-propulsion en raison des tailles différentes des perles.

Selon le Dr Hubert, « La perle plus petite réagit beaucoup plus vite à la force du ressort que la perle plus grande. Cela provoque un mouvement asymétrique et la perle plus grande est entraînée avec la perle plus petite. Nous utilisons donc le principe d’inertie, avec la différence que nous nous intéressons ici à l’interaction entre les corps plutôt qu’à l’interaction entre les corps et l’eau. »

Bien que le système ne soit pas incroyablement rapide, il se déplace d’environ un millième de sa longueur corporelle pendant chaque cycle d’oscillation. Cependant, le facteur le plus impressionnant et le plus important de ce nouveau système est la simplicité de sa construction et de son mécanisme.

L’équipe déclare qu’un tel système pourrait être utilisé pour développer de minuscules robots nageurs, qui pourraient avoir de nombreuses utilisations dans le monde réel dans des secteurs tels que les soins de santé. Par exemple, ils pourraient être utilisés pour le transport de médicaments.

« Le principe que nous avons découvert pourrait nous aider à construire de minuscules robots nageurs », déclare le Dr Hubert. « Un jour, ils pourraient être utilisés pour transporter des médicaments à travers le sang jusqu’à un emplacement précis. »