Materia aktywna to układy, których elementy mogą samoistnie poruszać się, czerpiąc energię ze swojego otoczenia i przekształcając ją w energię kinetyczną. Badania nad nimi są obecnie bardzo dynamiczną dziedziną fizyki. Obejmują one wiele skal czasowych i przestrzennych, m.in. zachowania ptaków w stadach (np. szpaków tworzących na wieczornym niebie dynamicznie ewoluujące wzory), ryb w ławicach (jako forma ochrony przed drapieżnikami), ale również bakterii w biofilmach i innych pływających mikroorganizmów w środowisku wodnym - czytamy w komunikacie Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Przedmiotem tej dziedziny są zarówno badania indywidualnych elementów składowych, szczegółów oddziaływania i sprzężenia z otoczeniem, tak ważnych np. dla przeżycia mikroorganizmów, jak również prace nad efektami kolektywnymi i emergencją nowych zjawisk w dużych populacjach. Jedne i drugie mogą być z powodzeniem opisywane na różnych poziomach dokładności.

Bakterie, algi, plemniki, orzęski i inne jednokomórkowe organizmy stanowią ważną grupę tzw. aktywnych pływaków. Zrozumienie fizycznych podstaw ich dynamiki jest często trudne ze względu na różnorodność, złożoność biologiczną i dużą wrażliwość na warunki otoczenia. Wodny mikroświat rządzi się jednak uniwersalnymi prawami fizyki cieczy, które nakładają ograniczenia na wszystkie organizmy.

"Ze względu na małe rozmiary – rzędu mikrometrów – i prędkości nieprzekraczające typowo kilkudziesięciu rozmiarów komórki na sekundę, przepływ płynu wokół nich jest zdominowany przez efekty lepkościowe. Oznacza to, że strategie pływania, które sprawdzają się dla rekinów czy pływaków olimpijskich, kompletnie zawodzą dla mikroskopijnych zawodników. Pływanie w skali makro opiera się bowiem na efektach bezwładności i poruszaniu się przez gwałtowny odrzut wody w przeciwnym kierunku. W mikroskali efekty te są pomijalne, a woda zachowuje się jak bardzo lepki płyn, np. miód. Spróbujmy wyobrazić sobie pływanie kraulem w basenie pełnym miodu – spodziewamy się, że będzie to bardzo wycieńczające i mało efektywne" - opisują specjaliści z FUW.

Dlatego mikroorganizmy wykształciły inne strategie pływania, oparte na wykorzystaniu lepkości. Bakterie mają często helikalne wici, którymi wkręcają się w płyn niczym korkociągi. Okazuje się, że w lepkim świecie strategia ta pozwala na efektywne poruszanie się komórek. Większe mikroorganizmy, takie jak orzęski, pokryte są tysiącami krótkich rzęsek. Poruszają one nimi w skoordynowany sposób, przypominający meksykańską falę na stadionie. Mechanizm ten pozwala na transport płynu wzdłuż powierzchni komórki, a w efekcie na ruch komórki w przeciwną stronę do kierunku fal rzęsek na powierzchni.

Zrozumienie tych mechanizmów - czytamy w komunikacie FUW - zainspirowało rozwój syntetycznych mikropływaków. Perspektywa wytwarzania mikrorobotów w laboratorium od dziesięcioleci rozbudza wyobraźnię badaczy ze względu na możliwe zastosowania diagnostyczne, medyczne i przemysłowe, takie jak np. precyzyjny transport leków w ciele pacjenta. Z tego punktu widzenia szczególnie ważna jest nie tylko możliwość produkcji takich pływaków, ale również kontrola kierunku ich ruchu.

W toku rozwoju badań syntetycznej materii aktywnej zaproponowano wiele lokalnych mechanizmów napędowych. Wyzwaniem pozostaje jednak kontrola ruchu pływaka, pozwalająca zaprogramować go tak, by dotarł w określone miejsce i np. dostarczył lek do wybranej części ciała pacjenta. Alternatywnie mógłby on być sterowany przez zewnętrznego operatora przy pomocy określonych bodźców. Bodźcem takim może być np. promieniowanie elektromagnetyczne, pole magnetyczne, elektryczne, nierównomierny rozkład temperatur albo sygnał akustyczny. O jednej z propozycji w tym kierunku traktuje nowa praca badaczy z Wydziału Fizyki UW, ETH w Zurychu i Uniwersytetu w Cambridge, która ukazała się w czasopiśmie "Nature Communications".

Zaprezentowano w niej zmodyfikowane tzw. mikrocząstki Janusa (mikroskopijna kula o jednej półkuli pokrytej złotem, a drugiej pokrytej platyną), poruszające się w płynie pod wpływem zewnętrznego oświetlenia, których kierunek ruchu zależy od długości fali padającego światła. Cząstki o średnicy 3,5 mikrona zostały wykonane z anatazu – jednej z odmian polimorficznych dwutlenku tytanu. Oświetlone zielonym światłem poruszają się one w kierunku wyznaczonym przez "złotą czapkę", zaś oświetlone światłem ultrafioletowym – w przeciwnym. Cząstki zostały zsyntetyzowane na ETH w Zurychu przez dr. Hanumanthę Rao Vutukuriego i prof. Jana Vermanta.

"Przez zmianę długości fali światła aktywujemy różne mechanizmy katalityczne na powierzchni cząstek, dzięki czemu możemy bardzo szybko i w kontrolowany sposób sterować ich ruchem" – mówi dr Maciej Lisicki z Wydziału Fizyki UW, cytowany w komunikacie. "Ponadto widzimy bardzo ciekawą dynamikę kolektywną: cząstki tego typu potrafią wzajemnie się przyciągać lub odpychać, w zależności od wzajemnej orientacji i koloru oświetlenia. Obserwujemy w ten sposób gwałtowne procesy fuzji i rozszczepienia, których dynamiką możemy sterować" - dodaje.

Model teoretyczny, pozwalający opisać dynamikę nowego typu cząstek aktywnych, został stworzony przez dr. Macieja Lisickiego z UW i prof. Erica Laugę z Uniwersytetu w Cambridge. "Przy mikrometrowych rozmiarach cząstek, ciecz wokół nich zachowuje się jak bardzo lepki płyn" – mówi Maciej Lisicki. "Ich oddziaływania hydrodynamiczne mają przez to bardzo daleki zasięg, a więc ruch każdej cząstki jest odczuwany przez wszystkie inne" - wyjaśnia.

Badacze uważają, że nowy, odwracalny i kontrolowany mechanizm poruszania się cząstek Janusa jest krokiem na drodze do konstrukcji bardziej złożonych mikrorobotów, które będą w stanie transportować ładunki w skali komórkowej.

PAP - Nauka w Polsce