Os nadadores mais comuns da natureza são organismos unicelulares, como microalgas que nadam em direção a fontes de luz, e células espermáticas que nadam em direção a um óvulo. Para um físico, as células são simplesmente máquinas bioquímicas, que deve obedecer a leis bem descritas da química e da física. Os cientistas podem, portanto, criar semelhantes à vida, nadar micro-máquinas sem invocar a biologia?

Liderado pela física Corinna Maass, o grupo Active Soft Matter no Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-organização visa criar nadadores macios a partir de constituintes puramente líquidos. Eles criaram recentemente um estável, nadadores autopropelidos e orientáveis ​​por gotículas com compartimentos fechados. Seus resultados são publicados na revista Cartas de revisão física .

Micro-nadadores artificiais semelhantes a células podem fornecer aplicações novas e empolgantes, por exemplo, um sistema microscópico de distribuição de drogas que se auto-orienta em direção ao órgão alvo, e é então absorvido de forma inofensiva pelo corpo. Além disso, micro-nadadores puramente físicos podem fornecer modelos para entender a física que rege os nadadores biológicos. Usando modelos de nadadores simplificados ao máximo, Corinna Maaß e seu grupo testam quais componentes e mecanismos de uma célula viva podem ser exclusivamente necessários para fornecer funções específicas.

“Nossos protótipos de células artificiais devem atender a vários requisitos:devem se autopropulsar espontaneamente; devem ser capazes de conter compartimentos para transporte de cargas ou como base para reações químicas; e devem ser controláveis, para que possamos escolher seletivamente como eles operam e sob quais condições eles liberam sua carga, "Maaß explica.

Com seus colegas Babak Vajdi Hokmabad und Kyle Baldwin, ela alcançou com sucesso esta tarefa, usando um sistema surpreendentemente simples:eles produziram reservatórios de óleo que encerram um ou mais núcleos internos de água, ou as chamadas emulsões duplas ativas. Essas gotículas podem começar a se mover espontaneamente se dissolverem lentamente em um surfactante concentrado ou solução de sabão - de certa forma, o surfactante atua como um combustível apoiando o movimento da gota até que ela esteja totalmente dissolvida.

Gotículas de cristal líquido estáveis

Tipicamente, tal emulsão é instável como óleo e água se misturam ao longo do tempo - um efeito visto na vida cotidiana como o óleo decanta do vinagrete. De forma similar, nadadores ativos de dupla emulsão são suscetíveis a estourar assim que se movem, conforme o núcleo interno é varrido em direção ao limite da gota. A equipe foi capaz de impedir que as cápsulas explodissem escolhendo um cristal líquido como material da cápsula.

Cristais líquidos são óleos que fluem da mesma forma que um óleo normal, mas as moléculas de óleo são organizadas em um padrão ordenado, que prefere que o núcleo aquoso esteja no centro da gota. Se o núcleo for varrido para a borda durante o movimento, a distorção da ordem fornece uma força empurrando-a de volta para o centro. Simulações numéricas por Christian Bahr mostraram que esta barreira de energia é, na verdade, suficiente para estabilizar a casca. Em comparação, os experimentos da equipe mostram que apenas as conchas de cristal líquido permanecem estáveis, enquanto as conchas feitas de óleos regulares explodem quase imediatamente assim que começam a nadar.

Gotículas de coruja e movimento em ziguezague

As conchas do estábulo irão, então, nadar por várias horas, encolhendo à medida que se dissolvem, até que eles se tornem muito finos e estourem. Durante este tempo, seu movimento é fascinante - eles não nadam em linhas retas, mas em um intrincado meandro que lembra as barbatanas de tubarão. Babak Vajdi Hokmabad diz:"Este, também, pode ser rastreada até a física fundamental. Se o núcleo estiver fora do eixo em relação à direção de movimento da casca, ele experimentará um torque forçando-o a uma curva que, no final das contas, o levará de volta ao seu próprio caminho. Esta trilha contém combustível usado, que repele a gota novamente. O torque reverte, e com isso, o movimento curvo da gota também se inverte. "

Além disso, o grupo demonstrou que este comportamento sinuoso pode ser desligado à vontade - se a casca contém dois núcleos, eles se organizam simetricamente em torno do eixo de movimento. Nesse caso, não há torque e o casco nada em linha reta. "Sob microscopia polarizada, essas cascas de núcleo duplo têm uma aparência muito semelhante à de uma coruja, "Kyle Baldwin diz.

Os cientistas descobriram mais maneiras de guiar os nadadores - as gotas se fixam nas paredes, de modo que se pudesse construir uma "ferrovia droplet, "e procurar áreas com maior densidade de combustível.

Nadadores flexíveis e orientáveis

Essas características tornam as conchas excelentes modelos biomiméticos de nadadores - elas são comparáveis ​​em tamanho, velocidade e deformabilidade para bioswimmers reais, mas sem quaisquer componentes bioquímicos complicados. Seu movimento é determinado por leis físicas fundamentais e elegantes e simetrias espontaneamente quebradas, e controlando essas simetrias, os pesquisadores também podem controlar o comportamento de natação.

"Uma vantagem crucial das emulsões duplas é que o núcleo não contribui para o mecanismo de movimento, e não se dissolve, qualquer, "diz Maaß." Assim, podemos funcionalizá-lo para transportar reagentes químicos ou blocos de construção biológicos, como proteínas ou enzimas, e em algum ponto, replicar verdadeiramente a física da vida. "