Naturens vanligaste simmare är encelliga organismer som mikroalger som simmar mot ljuskällor, och spermier som simmar mot ett ägg. För en fysiker, celler är helt enkelt biokemiska maskiner, som måste följa väl beskrivna lagar om kemi och fysik. Kan forskare därför skapa livliknande, simmikromaskiner utan att påkalla biologi?

Leds av fysikern Corinna Maass, Active Soft Matter-gruppen vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization syftar till att skapa mjuka modellsimmare från rent flytande beståndsdelar. De har nyligen skapat stabila, självgående och styrbara droppsimmare med slutna fack. Deras resultat publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Cellliknande artificiella mikrosimmare kan ge nya och spännande applikationer, till exempel, ett simmande mikroskopiskt läkemedelsleveranssystem som själv guidar sig mot målorganet, och absorberas sedan ofarligt av kroppen. Dessutom, rent fysiska mikrosimmare kan tillhandahålla modeller för att förstå fysiken som styr biologiska simmare. Genom att använda maximalt förenklade simmare, Corinna Maaß och hennes grupp testar vilka komponenter och mekanismer i en levande cell som kan vara unikt nödvändiga för att tillhandahålla specifika funktioner.

"Våra konstgjorda cellprototyper måste uppfylla flera krav:de måste självdriva spontant; de måste kunna innehålla fack för transport av last eller som grund för kemiska reaktioner; och de måste vara kontrollerbara, så vi kan selektivt välja hur de fungerar och under vilka förhållanden de släpper ut sin last, "Förklarar Maaß.

Med sina kollegor Babak Vajdi Hokmabad och Kyle Baldwin, hon har framgångsrikt uppnått denna uppgift, med ett förvånansvärt enkelt system:De producerade oljeskalor som omsluter en eller flera inre vattenkärnor, eller så kallade aktiva dubbelemulsioner. Sådana droppar kan börja röra sig spontant om de får lösa sig långsamt i ett koncentrerat ytaktivt medel eller tvålösning - på ett sätt, ytaktanten fungerar som ett bränsle som stöder droppens rörelse tills den är helt upplöst.

Stabila droppar med flytande kristaller

Vanligtvis, en sådan emulsion är instabil som olja och vatten -demix över tiden - en effekt som ses i vardagen som oljedekanter från vinaigrette. Liknande, aktiva dubbelemulsionssimmare är mottagliga för sprängning så snart de rör sig, när den inre kärnan sveps mot droppgränsen. Teamet kunde stoppa skalen från att brista genom att välja en flytande kristall som skalmaterialet.

Flytande kristaller är oljor som flyter på samma sätt som en vanlig olja, men oljemolekylerna är ordnade i ett ordnat mönster, som föredrar att den vattenhaltiga kärnan är i mitten av droppen. Om kärnan sveps till kanten under rörelse, förvrängningen av ordningen ger en kraft som knuffar tillbaka den mot mitten. Numeriska simuleringar av Christian Bahr har visat att denna energibarriär är, verkligen, tillräckligt för att stabilisera skalet. I jämförelse, teamets experiment visar att endast skal med flytande kristaller förblir stabila, medan skal gjorda av vanliga oljor spricker nästan omedelbart så fort de börjar simma.

Uggeldroppar och sicksackrörelse

De stabila skalen simmar sedan i upp till flera timmar, krymper när de löses upp, tills de blir för tunna och spricker. Under denna tid, deras rörelse är fascinerande - de simmar inte i raka linjer, men i en invecklad slingrande påminnelse om hajfenor. Babak Vajdi Hokmabad säger, "Den där, för, kan spåras tillbaka till grundläggande fysik. Om kärnan är utanför axeln med avseende på skalets rörelseriktning, den kommer att uppleva ett vridmoment som tvingar den till en kurva som slutligen leder den tillbaka till sitt eget spår. Detta spår innehåller förbrukat bränsle, som avvisar droppen igen. Vridmomentet vänder, och med det, droppens krökta rörelse vänder också. "

Vidare, gruppen visade att detta slingrande beteende kan stängas av efter behag - om skalet innehåller två kärnor, de arrangerar symmetriskt runt rörelseaxeln. I detta fall, det finns inget vridmoment och skalet simmar rakt. "Under polariserad mikroskopi har dessa dubbelkärniga skal ett mycket uggliknande utseende, "Säger Kyle Baldwin.

Forskarna kom på fler sätt att vägleda simmarna - droppar fäster på väggar, så att man skulle kunna bygga en "dropproute, "och leta efter områden med högre bränsletäthet.

Flexibla och styrbara simmare

Dessa egenskaper gör skalen till utmärkta simmare av biomimetiska modeller - de är jämförbara i storlek, hastighet och deformerbarhet för verkliga biosimmare, men utan några komplicerade biokemiska komponenter. Deras rörelse bestäms av grundläggande och eleganta fysiska lagar och spontant brutna symmetrier, och genom att kontrollera dessa symmetrier, forskare kan också kontrollera simbeteendet.

"En avgörande fördel med dubbla emulsioner är att kärnan inte bidrar till rörelsemekanismen, och upplöses inte, antingen, "säger Maaß." Således, vi kan funktionalisera den för att bära kemiska reagenser eller biologiska byggstenar som proteiner eller enzymer, och någon gång, verkligen kopiera livets fysik. "