I ricercatori sviluppano un micro-nuotatore che sfida le leggi della dinamica dei fluidi

I ricercatori dell’Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg (FAU), dell’Università di Liegi e dell’Istituto Helmholtz di Erlangen-Nürnberg per l’energia rinnovabile hanno sviluppato un nuovo micro-nuotatore che sfida le leggi della dinamica dei fluidi. Il nuotatore potrebbe avere applicazioni in aree come la sanità, dove potrebbe essere utilizzato per trasportare farmaci attraverso il sangue.

Il modello del team consiste in due perle collegate da una molla lineare e viene propulso da oscillazioni completamente simmetriche. Secondo il teorema della conchiglia, ciò non dovrebbe essere possibile nei sistemi fluidi microscopici.

I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati in Physical Review Letters.

Le conchiglie e il nuotatore

Le conchiglie nuotano attraverso l’acqua chiudendo le loro conchiglie, e mentre la conchiglia si apre per il prossimo colpo, la sua grande dimensione la propulsa attraverso il momento di inerzia. Il teorema della conchiglia, tuttavia, si applica più o meno a seconda della densità e della viscosità del fluido.

Secondo il teorema, un nuotatore che fa movimenti simmetrici o reciproci in avanti e indietro, simili al modo in cui una conchiglia apre e chiude la sua conchiglia, probabilmente risulterà in un movimento molto piccolo.

Il dottor Maxime Hubert è un ricercatore post-dottorato nel gruppo del prof. Dr. Ana-Suncana Smith all’Istituto di Fisica Teorica dell’FAU.

“Nuotare attraverso l’acqua è difficile per gli organismi microscopici come nuotare attraverso la pece per gli esseri umani”, dice il dottor Hubert. “Questo è il motivo per cui gli organismi a cellula singola hanno mezzi di propulsione relativamente complessi come peli vibranti o flagelli rotanti.”

Il team dell’FAU ha collaborato con ricercatori dell’Università di Liegi e dell’Istituto Helmholtz di Erlangen-Nürnberg per l’energia rinnovabile per sviluppare un nuotatore simile che sembra non essere limitato dal teorema della conchiglia. Il modello abbastanza semplice funziona con una molla lineare che collega due perle di dimensioni diverse. Il micro-nuotatore è ancora in grado di muoversi attraverso il fluido quando la molla si espande e si contrae simmetricamente sotto inversione del tempo.

“Abbiamo originariamente testato questo principio utilizzando simulazioni al computer”, dice Maxime Hubert. ‘Poi abbiamo costruito un modello funzionante.”

Il team ha testato il modello ponendo due perle di acciaio, che erano solo alcune centinaia di micrometri di diametro, sulla superficie dell’acqua all’interno di una piastra di Petri. La contrazione della molla è stata rappresentata dalla tensione superficiale dell’acqua e un campo magnetico è stato utilizzato per ottenere l’espansione nella direzione opposta. Ciò ha causato la repulsione periodica delle micro-perle.

Utilizzi nel mondo reale

Il nuotatore raggiunge l’autopropulsione a causa delle dimensioni diverse delle perle.

Secondo il dottor Hubert, “La perla più piccola reagisce molto più velocemente alla forza della molla rispetto alla perla più grande. Ciò provoca un movimento asimmetrico e la perla più grande viene trainata insieme alla perla più piccola. Quindi stiamo utilizzando il principio di inerzia, con la differenza che qui ci occupiamo dell’interazione tra i corpi piuttosto che dell’interazione tra i corpi e l’acqua.”

Sebbene il sistema non sia incredibilmente veloce, si muove in avanti di circa un millesimo della sua lunghezza corporea durante ogni ciclo di oscillazione. Tuttavia, il fattore più impressionante e importante del nuovo sistema è la semplicità della sua costruzione e del meccanismo.

Il team afferma che un tale sistema potrebbe essere utilizzato per sviluppare piccoli robot nuotatori, che potrebbero avere molti utilizzi nel mondo reale in settori come la sanità. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per il trasporto di farmaci.

“Il principio che abbiamo scoperto potrebbe aiutarci a costruire piccoli robot nuotatori”, dice il dottor Hubert. “Un giorno potrebbero essere utilizzati per trasportare farmaci attraverso il sangue fino a una posizione precisa.”