• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Hur skolor för mikrosimmare kan öka sin lastkapacitet

    Kredit:Sebastian Rode, Jens Elgeti &Gerhard Gompper, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

    En ny studie publicerad i Fysiska granskningsbrev beskriver ett sätt att öka lastkapaciteten för mikroskopiska, självgående droppar kända som "mikrosimmare". Forskare från University of Pennsylvania och Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation fann att när en skola av mikrosimmare rör sig i samma riktning i en smal kanal, de kan öka antalet partiklar de kan bära med 10 gånger. Deras resultat har implikationer för tillämpningar som sträcker sig från läkemedelsleveranssystem till material med aktiva beläggningar.

    Liksom många vetenskapliga ansträngningar, denna började med en enkel observation. När du deltog i en konferensmiddag på Georgia Aquarium, fysikern Arnold Mathijssen och hans kollegor märkte att stora stim av simfiskar verkade bära små partiklar och skräp i kölvattnet. Detta händer på grund av hydrodynamisk indragning, en process där, när ett föremål rör sig genom vätska, det genererar ett flöde och gör att närliggande objekt dras med sig.

    "Vi undrade, När fiskarna i akvariet simmar framåt, dras en partikel också framåt, eller trycks det bakåt av deras svansar?" säger Mathijssen. "Vår centrala fråga var om de här killarna flyttar saker framåt eller inte, och hypotesen var att om vi kan se detta hända i akvariet, kanske är detta tillämpligt under ett mikroskop också."

    För att svara på frågan, Max Planck Institutes forskare Chenyu Jin, Yibo Chen, och Corinna Maass körde experiment med syntetiska mikrosimmare, självgående droppar av olja och ytaktivt ämne som är ett modellsystem för mikroskopiska robotar. Använda sina mikrosimmare, forskarna kunde mäta styrkan i flödena som genererades av en enskild simmare och mängden material som en individ kunde bära med sig när de färdades genom en tvådimensionell kanal. Sedan, när uppgifterna har samlats in, Mathijssen och hans grupp utvecklade en teoretisk modell för att förklara deras resultat.

    En särskild utmaning för att utveckla modellen var att ta fram ett sätt att beskriva effekterna av väggarna i den mikroskopiska kanalen eftersom, till skillnad från i akvariet, detta experiment utfördes i ett begränsat utrymme. "Den inneslutningen påverkar verkligen flödena och, som ett resultat, påverkar den totala volymen saker du kan transportera. Det finns en hel del litteratur när det gäller modellering av aktiva partiklar, men det är svårt att få det rätt i komplexa miljöer, säger Mathijssen.

    Med hjälp av deras data och nyutvecklade modell, forskarna fann att transportkapaciteten för en enskild mikrosimmare kunde ökas med 10 gånger när de simmade tillsammans i en smal kanal. De fann också att indragningshastigheten, eller hastigheten med vilken partiklar rör sig framåt, var mycket större än vad som ursprungligen förväntades.

    Jämfört med ett mer öppet system, som akvariet, att ha en begränsad kanal tycks förbättra partiklars rörelse, säger Mathijssen. "Om du är i en tredimensionell värld, energin du injicerar i ditt system sprids ut i alla riktningar. Här, där den fokuseras i ett tvådimensionellt plan, styrkan på flödena är större. Det är nästan som om du har ett vak fram och bak, så effekten är dubbelt så stark, effektivt, " han säger.

    En annan överraskande upptäckt var hur kraftfull denna effekt kan vara även över långa avstånd i ett system som det här med ett lågt Reynolds-tal, ett värde som används av forskare för att förutsäga vätskeflödesmönster. System med låga Reynolds-tal har jämna, laminärt flöde (som ett vattenfall), och de med höga värden är mer turbulenta.

    "Här, skillnaden mellan de låga och höga Reynolds-talen är att, vid låga Reynolds siffror, dessa flöden tenderar att vara mycket långsträckta. Även om du är 10 kroppslängder bort, dessa flöden är fortfarande betydande. Vid högre Reynolds siffror, det är inte nödvändigtvis sant eftersom du får mycket turbulens, och som stör denna indragningseffekt, säger Mathijssen.

    Forskarna tror att detta kan bero på den främre och bakre symmetri som uppstår i ett slutet system. "Vid låga Reynolds siffror, du har ett tryck framför droppen, och det trycket pressar vätskan framåt en lång sträcka, säger Mathijssen.

    Framtida experiment kommer att titta på hur denna effekt utspelar sig i system som har högre Reynolds-tal. Man tror att fiskar är beroende av ett liknande fenomen när de simmar tätt bakom varandra i stora stim, liknar cyklister som drar av varandra i en peloton, så forskarna tror att en liknande effekt kan hända i andra system också.

    Och eftersom den underliggande fysiken som beskrivs i denna studie gäller många andra också, dessa fynd har också konsekvenser för ett antal andra områden, från att utforma läkemedelsleveranssystem, förstå hur biofilmer transporterar näringsämnen, och designa aktiva material, sådana som har unika beläggningar eller egenskaper som genomsyrar dem med dynamiska egenskaper.

    "Den större bilden i fysik är att se hur enskilda aktiva komponenter kan samverka för att ge upphov till en delad funktionalitet, vad vi kallar framväxande fenomen, i makroskopisk skala, säger Mathijssen. Och där, det finns ingen regelbok, det finns ännu inga fysiklagar som beskriver dessa system som inte är i jämvikt, så det finns grundläggande teoretiska fysikfrågor som återstår att besvara."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com