Une nouvelle étude publiée dans Lettres d’examen physique décrit un moyen d’augmenter la capacité de chargement de gouttelettes microscopiques autopropulsées connues sous le nom de « micronageurs ». Des chercheurs de l’Université de Pennsylvanie et du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation ont découvert que lorsqu’un groupe de micronageurs se déplace dans la même direction à l’intérieur d’un canal étroit, ils peuvent multiplier par 10 le nombre de particules qu’ils peuvent transporter. Leurs découvertes ont des implications pour des applications allant des systèmes de délivrance de médicaments aux matériaux avec des revêtements actifs.
Comme beaucoup d’efforts scientifiques, celui-ci a commencé par une simple observation. Lors d’un dîner de conférence à l’Aquarium de Géorgie, le physicien Arnold Mathijssen et ses collègues ont remarqué que de grands bancs de poissons nageurs semblaient transporter de petites particules et débris dans leur sillage. Cela se produit à cause de l’entraînement hydrodynamique, un processus où, lorsqu’un objet se déplace dans un liquide, il génère un flux et entraîne avec lui des objets proches.
« Nous nous demandions : alors que les poissons de l’aquarium nagent vers l’avant, une particule est-elle également entraînée vers l’avant ou est-elle poussée vers l’arrière par sa queue ? » dit Mathijssen. “Notre question centrale était de savoir si ces gars faisaient avancer les choses ou non, et l’hypothèse était que, si nous pouvons voir cela se produire dans l’aquarium, cela est peut-être également applicable au microscope.”
Pour répondre à la question, les chercheurs de l’Institut Max Planck Chenyu Jin, Yibo Chen et Corinna Maass ont mené des expériences à l’aide de micronageurs synthétiques, de gouttelettes d’huile autopropulsées et de surfactant qui constituent un système modèle pour les robots microscopiques. À l’aide de leurs micronageurs, les chercheurs ont pu mesurer la force des flux générés par un nageur individuel et la quantité de matière qu’un individu pouvait emporter avec lui lorsqu’il traversait un canal bidimensionnel. Ensuite, une fois les données collectées, Mathijssen et son groupe ont développé un modèle théorique pour aider à expliquer leurs découvertes.
Un défi particulier pour le développement du modèle a été de trouver un moyen de décrire les effets des parois du canal microscopique car, contrairement à l’aquarium, cette expérience a été menée dans un espace confiné. “Ce confinement affecte vraiment les flux et, par conséquent, affecte le volume total de choses que vous pouvez transporter. Il existe pas mal de littérature en termes de modélisation des particules actives, mais il est difficile de bien faire les choses dans des environnements complexes”, a déclaré Mathijssen. dit.
À l’aide de leurs données et d’un modèle nouvellement développé, les chercheurs ont découvert que la capacité de transport d’un micronageur individuel pouvait être multipliée par 10 lorsqu’ils nageaient ensemble dans un canal étroit. Ils ont également constaté que la vitesse d’entraînement, ou la vitesse à laquelle les particules se déplacent vers l’avant, était beaucoup plus grande que prévu initialement.
Par rapport à un système plus ouvert, comme l’aquarium, le fait d’avoir un canal confiné semble améliorer le mouvement des particules, explique Mathijssen. “Si vous êtes dans un monde en trois dimensions, l’énergie que vous injectez dans votre système se répand dans toutes les directions. Ici, où elle se concentre dans un plan en deux dimensions, la force des flux est plus grande. C’est presque comme si vous avoir un sillage à l’avant et à l’arrière, donc l’effet est deux fois plus fort, efficacement », dit-il.
Une autre découverte surprenante était la puissance de cet effet même sur de longues distances dans un système comme celui-ci avec un faible nombre de Reynolds, une valeur utilisée par les scientifiques pour prédire les schémas d’écoulement des liquides. Les systèmes avec de faibles nombres de Reynolds ont un écoulement laminaire régulier (comme une cascade), et ceux avec des valeurs élevées sont plus turbulents.
“Ici, les différences entre les nombres de Reynolds faibles et élevés sont que, à des nombres de Reynolds faibles, ces flux ont tendance à être à très longue distance. Même si vous êtes à 10 longueurs de corps, ces flux sont toujours importants. À des nombres de Reynolds plus élevés, ce n’est pas nécessairement vrai car il y a beaucoup de turbulences, et cela perturbe cet effet d’entraînement », explique Mathijssen.
Les chercheurs pensent que cela pourrait être dû à la symétrie avant et arrière qui se produit dans un système fermé. “A de faibles nombres de Reynolds, vous avez une pression devant la gouttelette, et cette pression pousse le liquide vers l’avant sur une grande distance”, explique Mathijssen.
De futures expériences examineront comment cet effet se produit dans les systèmes qui ont des nombres de Reynolds plus élevés. On pense que les poissons dépendent d’un phénomène similaire lorsqu’ils nagent les uns derrière les autres dans de grands bancs, comme des cyclistes qui se regroupent en peloton. Les chercheurs pensent donc qu’un effet similaire pourrait également se produire dans d’autres systèmes.
Et parce que la physique sous-jacente décrite dans cette étude s’applique également à de nombreux autres, ces résultats ont également des implications pour un certain nombre d’autres domaines, de la conception de systèmes d’administration de médicaments à la compréhension de la façon dont les biofilms transportent les nutriments et à la conception de matériaux actifs, qui ont des propriétés uniques. des revêtements ou des propriétés qui leur confèrent des caractéristiques dynamiques.
“Le plus grand tableau en termes de physique est de voir comment des composants actifs individuels peuvent travailler ensemble afin de donner naissance à une fonctionnalité partagée, ce que nous appelons des phénomènes émergents, à une échelle macroscopique”, explique Mathijssen. “Et là, il n’y a pas de livre de règles, il n’y a pas encore de lois de la physique qui décrivent ces systèmes qui sont hors d’équilibre, donc il y a des questions fondamentales de physique théorique qui restent sans réponse.”
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