Ett internationellt team ledd av professor Yilin Wu, Docent vid institutionen för fysik vid det kinesiska universitetet i Hong Kong (CUHK) har gjort ett nytt konceptuellt framsteg inom området aktiv materiavetenskap. Teamet upptäckte en ny väg där självorganiseringen av aktiva vätskor i rum och tid kan styras av en enda materialegenskap som kallas viskoelasticitet. Denna nya upptäckt kan bana väg för tillverkning av en ny klass av självdrivna enheter och material, såsom förmågan att kontrollera den rytmiska rörelsen hos mjuka robotar utan att förlita sig på elektroniska kretsar, och för studiet av mikrobiell fysiologi. Den har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Natur .

Ett snabbt växande och tvärvetenskapligt område, system för aktiv materiavetenskap består av enheter där energi spenderas lokalt för att generera mekaniskt arbete. Aktiv materia inkluderar alla levande organismer från celler till djur, biopolymerer som drivs av molekylära motorer, och syntetiska självgående material. Självorganisering (processen att producera ordnade strukturer via interaktion mellan enskilda enheter) principer som lärts av dessa system kan hitta tillämpningar inom vävnadsteknik och vid tillverkning av nya bioinspirerade enheter eller material.

Studien skapades av professor Wu och hans tidigare Ph.D. student Song Liu (för närvarande postdoktor vid Institutet för grundläggande vetenskap i Korea). De har ett långsiktigt intresse av att förstå de fysiska fenomenen av självorganisering i biologiskt aktivt material, med fokus på aktiva vätskor bestående av rörliga mikroorganismer. I en tidigare artikel samarbetade med utländska fysiker publicerad i Natur under 2017, de rapporterade en svag synkroniseringsmekanism för biologisk kollektiv oscillation, i vilken robust tidsordning uppstår från ett stort antal oberäkneliga men svagt kopplade banor av individuella celler i bakteriesuspensioner. Dock, den samtidiga kontrollen av rumslig och tidsmässig ordning är mer utmanande.

I den nya studien, CUHK-forskargruppen hittade ledtrådar i viskoelasticitet, en gemensam egenskap hos komplexa vätskor som har både vätskeliknande och fasta ämnen under deformation. Medan man manipulerar viskoelasticiteten hos en bakterieaktiv vätska med DNA-polymerer, laget hittade spektakulära fenomen. Den bakterieaktiva vätskan organiserar sig först i rymden till en roterande virvel i millimeterskala, visar sedan tidsmässig organisation när den gigantiska virveln ändrar sin globala kiralitet med jämna mellanrum med inställbar frekvens, som en självdriven vridpendel. Teamet trodde att dessa slående fenomen möjligen kan uppstå från samspelet mellan aktiv forcering och viskoelastisk stressavslappning. Viskoelastisk relaxation sker på en tidsskala som motsvarar övergången från fasta till vätskeliknande svar när en komplex vätska deformeras.

För att ytterligare förstå de observerade fenomenen, CUHK-forskarna slog sig ihop med teoretiska fysiker Cristina Marchetti, Professor vid University of California, Santa Barbara och hennes tidigare Ph.D. student Suraj Shankar, nu juniorstipendiat vid Harvard University. De två teoretikerna utvecklade en modell för aktiv materia som kopplar bakteriell aktivitet, elastisk polymerspänning, och fälten för bakteriell hastighet och polarisation. Analys och datorsimuleringar av modellen reproducerar alla större experimentella fynd, och förklarar också uppkomsten av rumslig och tidsmässig ordning i termer av konkurrensen mellan tidsskalorna för viskoelastisk avslappning och aktiv forcering.

Dessa nya rön visar experimentellt för första gången att viskoelasticitet hos material kan utnyttjas för att kontrollera aktiv materias självorganisering. Det kommer att underblåsa utvecklingen av icke-jämviktsfysik och kan bana väg för att tillverka en ny klass av adaptiva självdrivna enheter och material. Till exempel, när de är kopplade till manöversystem för mjuka robotar, den avstämbara och självoscillerande virveln i millimeterskala kan användas som en "klockgenerator" som tillhandahåller timingsignaler för programmerad mikrofluidisk pumpning och för att kontrollera den rytmiska rörelsen hos mjuka robotar, utan att förlita sig på elektroniska kretsar. Dessutom, bakterier i biofilmer och djurens mag-tarmkanaler simmar ofta i viskoelastiska vätskor som finns rikligt med långkedjiga polymerer. De nya rönen tyder också på att miljöns viskoelasticitet kan modifiera bakteriers kollektiva rörelsemönster, därigenom påverka spridningen av biofilmer och translokationen av tarmmikrobiom.