Pesquisadores da Tokyo Metropolitan University estudaram como micro-nadadores, como bactérias ou esperma, nadar através de fluidos com propriedades sólidas e semelhantes a líquidos, por exemplo., géis. Eles descobriram que mudanças sutis nas características de um nadador, sua estrutura, e como ele se move invoca uma resposta dramaticamente diferente do fluido. Eles também descobriram que a semelhança de tamanho entre a estrutura do fluido e o nadador levou a uma ampla gama de comportamentos interessantes.

A natação é um negócio complicado para o microorganismo. Um mergulho na piscina pode não parecer tão difícil, mas em escalas microscópicas, ou em números de Reynolds baixos, o efeito da viscosidade do fluido impõe restrições severas à natação. Ainda, a natureza o alcança; micro nadadores desempenham papéis vitais em uma ampla gama de fenômenos, incluindo a motilidade do esperma e o movimento ativo das bactérias.

Para entender os nadadores, estudos anteriores focaram em modelos mínimos de comportamento de nadadores em fluidos uniformes. Um modelo particularmente popular é o chamado "micro-nadador de três esferas, "um fio de três esferas microscópicas ligadas entre si por braços; o fio pode ser impulsionado bombeando os braços para trás e para frente em um líquido. Esta sequência simples supera as limitações do teorema da" vieira "de Purcell, que diz que o movimento que parece o mesmo quando reproduzido para trás (simetria de reversão de tempo), como uma vieira abrindo e fechando, não pode ser usado para locomoção.

Mas e o fluido? No caso dos espermatozoides viajando através do muco cervical para chegar aos óvulos na reprodução dos mamíferos, o muco é um exemplo de matéria mole, onde a estrutura interna, neste caso feito de açúcares e proteínas, responde de forma complexa ao movimento do nadador. Abordar esta questão, uma equipe composta por Kento Yasuda e o professor associado Shigeyuki Komura da Universidade Metropolitana de Tóquio e Ryuichi Okamoto, um professor da Universidade de Okayama, estudaram como micro-nadadores de três esferas se comportam em um fluido estruturado, um gel de polímero, e. geléia.

Sua análise revelou que havia basicamente dois mecanismos para alcançar o movimento, um quebrando a simetria de reversão do tempo, a outra modulando as amplitudes nas batidas dos dois braços do nadador. Com o último, descobriu-se que a natação pode ser alcançada sem quebrar a simetria anterior, uma lacuna no teorema da vieira. Por meio de análises mais detalhadas, eles conseguiram derivar expressões de como a velocidade do nadador estava relacionada a como um fluido estruturado resiste ao movimento de um nadador. Interessantemente, eles descobriram que quando os nadadores eram maiores do que o tamanho da malha do gel, houve maior resistência com batidas mais rápidas, uma conclusão um tanto contra-intuitiva.

Este trabalho marca um progresso significativo ao trazer um modelo popular de nadador mínimo mais perto de casos experimentalmente relevantes, incluindo o batimento dos fios de cabelo ("cílios") nas células e a motilidade das bactérias. Ele também pode ser aplicado em cenários mais exóticos, por exemplo. a locomoção de robôs por meio de destroços após deslizamentos de terra. O estudo foi publicado online na revista Cartas Europhysics .