Inspirerad av naturens rörelser i mikroskala, en grupp forskare vid Indian Institute of Technology Madras och Institute of Mathematical Sciences, i Chennai, Indien, har utvecklat en ny design för transport av kolloidala partiklar, liten last upphängd i ämnen som vätskor eller geler, snabbare än vad som för närvarande är möjligt genom diffusion.
Vätskefriktion bestämmer tröghet i mikroskala i vätska. Detta betyder, till exempel, blodkroppar som simmar i blodet möter ungefär samma mängd motstånd som en människa skulle uppleva när de försöker simma genom melass.
Som gruppen rapporterar i Journal of Chemical Physics de tillämpade och utökade sedan en modell av aktiva filament som inkluderar dessa friktionshydrodynamiska interaktioner, specifikt som de hänför sig till hastighets- och effektivitetsanalysen av transport av kolloidala partiklar.
Genom att göra så, forskarna kunde designa en realiserbar aktiv transportmotor, avsevärt förbättra den senaste tekniken för att studera den avgörande rollen av momentumkonservering i aktiva system.
"Mikroorganismer har utvecklat specialiserade organeller, såsom flimmerhår och flageller, att övervinna utmaningarna, med Nobelpristagarens [Edward] Purcells ord, "livet på ett lågt Reynolds-tal, '" sa Raj Kumar Manna, en doktorand vid institutionen för fysik vid Indian Institute of Technology Madras. "Nya experiment visade att flagellaliknande "slag" kunde uppnås in vitro, bevisar att det är möjligt att få en periodisk "slagande" rörelse utan komplex biologisk reglering."
Att kombinera detta koncept av biologiskt oberoende reglering med "framgångsrik syntes av självgående, oorganiska partiklar, " sade han också, tillät dem att skapa ett helt konstgjort mikroskopiskt transportsystem.
Gruppen satte sig initialt för att studera design av sådana transportsystem via datorsimulering för att hitta design för deras "ultimat syntes" inom laboratoriet.
Enligt Manna, de flesta av koncepten som är involverade i deras arbete är mer än ett sekel gamla, med anor från mitten av 1800-talet med matematikern George Stokes arbete med ekvationerna för långsamt viskös flöde med samma namn. Fysikern Marian Smoluchowski använde sedan det arbetet i början av 1900-talet för att beräkna friktionen, eller den så kallade "hydrodynamiska interaktionen, " mellan sfäriska partiklar som rör sig i en viskös vätska. "Vi tillämpade dessa tekniker på den nya situationen att simma i en trögflytande vätska, sa Manna.
Med dessa tekniker visade de att det är möjligt att transportera kolloidal last via syntetiska aktiva filament. "Vi har tillhandahållit en design för en helt biokompatibel motilitetsmotor som kan användas för en mängd olika användningsområden, " sa Manna. Och sådan variation erbjuds av ett överraskande fynd.
"Hastighet och effektivitet är inte relaterade inom dessa system, sade Manna. Som en analogi, Tänk på den energi som en 100-meterssprinter och en maratonlöpare spenderar. För en given energibudget, den kan förbrukas i en kort skur för att uppnå hög hastighet, eller långsammare för att nå långa avstånd. Detta kräver olika designöverväganden, så vårt arbete ger ett sätt att växla beteendet hos vår syntetiska simmare mellan dessa två lägen."
Arbetet har potentiella konsekvenser för procedurer som riktad läkemedelsleverans och insemination. Mer allmänt, arbetet är relevant för terapeutiska insatser där defekt motilitet inom fysiologi är ett problem.
"Det är svårt att förutsäga tidpunkten för en datordesign som ska realiseras experimentellt, och sedan gå bortom kliniska prövningar till medicinsk användning. Men, om tidigare utveckling inom detta område är någon vägledning, vi förväntar oss att vissa av dessa tekniker kommer att bli genomförbara inom ett decennium eller så, sa Manna.
Vad som händer härnäst för gruppen, Manna sa, "Vi skulle vilja inkludera ökande grader av realism i vår analys för att uppnå en miljö som är mer lik blod, titta på geometrier som är mer som grenade kapillärer, utforska design för högre energieffektivitet, och även samarbeta närmare med experimentalister."
