Forskare från Tokyo Metropolitan University har studerat hur mikrosimmare, som bakterier eller spermier, simma genom vätskor med både fasta och flytande egenskaper, t.ex., geler. De fann att subtila förändringar i en simmers funktioner, dess struktur, och hur den rör sig framkallar ett dramatiskt annorlunda svar från vätskan. De upptäckte också att likheten i storlek mellan vätskans struktur och simmaren ledde till ett brett spektrum av intressant beteende.

Simning är en knepig affär för mikroorganismen. Ett dopp i poolen kanske inte verkar så svårt, men i mikroskopiska skalor, eller vid låga Reynolds -tal, effekten av vätskeviskositet medför svåra begränsningar för simning. Än, naturen uppnår det; mikrosimmare spelar viktiga roller i ett brett spektrum av fenomen, inklusive spermiernas rörlighet och bakteriernas aktiva rörelse.

För att förstå simmare, tidigare studier har fokuserat på minimala modeller av simmars beteende i enhetliga vätskor. En särskilt populär modell är den så kallade "tresfäriga mikrosimmaren, "en sträng med tre mikroskopiska sfärer fästa vid varandra med armar; strängen kan drivas genom att pumpa armarna bakåt och framåt i en vätska. Denna enkla sekvens övervinner begränsningarna i" kammussling "-satsen i Purcell, som säger den rörelsen som ser likadan ut när den spelas bakåt (tidsomvändningssymmetri), som en pilgrimsmussla som öppnar och stänger, kan inte användas för rörelse.

Men hur är det med vätskan? Om spermier reser genom livmoderhalsslem för att nå ägg vid reproduktion av däggdjur, slem är ett exempel på mjuk materia, där den inre strukturen, i detta fall gjord av socker och proteiner, svarar på ett komplext sätt på simmarens rörelse. För att lösa detta problem, ett team bestående av Kento Yasuda och docent Shigeyuki Komura vid Tokyo Metropolitan University och Ryuichi Okamoto, en föreläsare vid Okayama University, studerat hur mikrosimmare med tre sfärer beter sig i en strukturerad vätska, en polymergel t.ex. gelé.

Deras analys visade att det i stort sett fanns två mekanismer för att uppnå rörelse, en genom att bryta tidsomvändningssymmetri, den andra genom att modulera amplituderna i slagandet av simmarens två armar. Med det senare, det visade sig att simning kunde uppnås utan att bryta den tidigare symmetrin, ett kryphål i pilgrimssatsen. Genom ytterligare detaljerad analys, de lyckades härleda uttryck för hur simmarens hastighet var relaterad till hur en strukturerad vätska motstår en simmers rörelse. Intressant, de fann att när simmare var större än gelens maskstorlek, det fanns större motstånd med snabbare slag, en lite kontraintuitiv slutsats.

Detta arbete markerar betydande framsteg när det gäller att föra en populär minimal simmare modell närmare experimentellt relevanta fall, inklusive hårstrån ("cilia") på celler och bakteriernas rörlighet. Det kan också se tillämpning på mer exotiska scenarier, t.ex. robotarnas rörelse genom skräp efter jordskred. Studien har publicerats online i tidskriften Europhysics Letters .