Các nhà nghiên cứu phát triển Microswimmer vượt qua các định luật của động lực học chất lỏng

Các nhà nghiên cứu tại Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Đại học Liège và Viện Năng lượng tái tạo Helmholtz Erlangen-Nürnberg đã phát triển một microswimmer mới vượt qua các định luật của động lực học chất lỏng. Microswimmer này có thể có ứng dụng trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, nơi nó có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc qua máu.

Mô hình của nhóm nghiên cứu bao gồm hai hạt kết nối bằng một lò xo tuyến tính và được đẩy bằng các dao động đối xứng hoàn toàn. Theo định lý Scallop, điều này không nên xảy ra trong các hệ thống chất lỏng vi mô.

Các phát hiện của nhóm nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Vật lý Letters.

Scallops và Microswimmer

Scallops bơi qua nước bằng cách gập các vỏ của chúng lại với nhau, và trong khi scallop mở vỏ của nó cho nhịp tiếp theo, kích thước lớn của nó đẩy nó qua момент quán tính. Định lý Scallop, tuy nhiên, áp dụng nhiều hoặc ít tùy thuộc vào mật độ và độ nhớt của chất lỏng.

Theo định lý, một microswimmer tạo ra các chuyển động đối xứng hoặc tương hỗ từ trước đến sau, tương tự như cách một scallop mở và đóng vỏ của nó, sẽ có khả năng dẫn đến chuyển động rất nhỏ.

Tiến sĩ Maxime Hubert là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Giáo sư Ana-Suncana Smith tại Viện Vật lý lý thuyết tại FAU.

“Bơi qua nước là một việc khó khăn cho các sinh vật vi mô như bơi qua dầu cho con người,” Tiến sĩ Hubert nói. “Đây là lý do tại sao các sinh vật đơn bào có các phương tiện đẩy phức tạp như lông rung hoặc roi quay.”

Nhóm nghiên cứu tại FAU đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Đại học Liège và Viện Năng lượng tái tạo Helmholtz Erlangen-Nürnberg để phát triển một microswimmer tương tự dường như không bị giới hạn bởi định lý Scallop. Mô hình khá đơn giản này hoạt động với một lò xo tuyến tính kết nối hai hạt có kích thước khác nhau. Microswimmer vẫn có thể di chuyển qua chất lỏng khi lò xo giãn nở và co lại đối xứng theo thời gian.

“Chúng tôi ban đầu đã kiểm tra nguyên tắc này bằng cách sử dụng mô phỏng máy tính,” Maxime Hubert nói. ‘Sau đó, chúng tôi đã xây dựng một mô hình hoạt động.”

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra mô hình bằng cách đặt hai hạt thép, chỉ có đường kính vài trăm micromet, lên bề mặt nước trong một đĩa Petri. Sự co lại của lò xo được thể hiện bằng lực căng bề mặt của nước, và một trường từ được sử dụng để đạt được sự giãn nở theo hướng ngược lại. Hệ thống này gây ra sự đẩy nhau định kỳ của các vi hạt.

Ứng dụng thực tế

Microswimmer đạt được tự đẩy do sự khác biệt về kích thước của các hạt.

Theo Tiến sĩ Hubert, “Hạt nhỏ phản ứng nhanh hơn với lực lò xo so với hạt lớn. Điều này gây ra chuyển động không đối xứng và hạt lớn được kéo theo hạt nhỏ. Chúng tôi do đó sử dụng nguyên tắc quán tính, với sự khác biệt là ở đây chúng tôi quan tâm đến sự tương tác giữa các vật thể rather than sự tương tác giữa các vật thể và nước.”

Mặc dù hệ thống này không di chuyển nhanh lắm, nhưng nó di chuyển khoảng một phần nghìn chiều dài cơ thể trong mỗi chu kỳ dao động. Tuy nhiên, yếu tố ấn tượng và quan trọng nhất của hệ thống mới này là sự đơn giản của cấu trúc và cơ chế của nó.

Nhóm nghiên cứu cho biết hệ thống như vậy có thể được sử dụng để phát triển các robot bơi nhỏ, có thể có nhiều ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe. Ví dụ, chúng có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc.

“Nguyên tắc mà chúng tôi đã phát hiện có thể giúp chúng tôi xây dựng các robot bơi nhỏ,” Tiến sĩ Hubert nói. “Một ngày nào đó, chúng có thể được sử dụng để vận chuyển thuốc qua máu đến một vị trí chính xác.”