Inspiré des mouvements de la nature à micro-échelle, un groupe de chercheurs de l'Institut indien de technologie de Madras et de l'Institut des sciences mathématiques, à Chennai, Inde, a développé une nouvelle conception pour le transport de particules colloïdales, minuscule cargaison en suspension dans des substances telles que des fluides ou des gels, plus rapidement que ce qui est actuellement possible par diffusion.

La friction du fluide détermine l'inertie à micro-échelle dans le fluide. Ça signifie, par exemple, les cellules sanguines nageant dans le sang rencontrent à peu près la même quantité de traînée qu'un humain éprouverait en essayant de nager dans la mélasse.

Comme le rapport du groupe dans Le Journal de Physique Chimique ils ont appliqué puis étendu un modèle de filaments actifs qui inclut ces interactions hydrodynamiques frictionnelles, spécifiquement en ce qui concerne l'analyse de la vitesse et de l'efficacité du transport des particules colloïdales.

En faisant cela, les chercheurs ont pu concevoir un moteur de transport actif réalisable, faire progresser de manière significative l'état de l'art pour étudier le rôle crucial de la conservation de la quantité de mouvement dans les systèmes actifs.

"Les micro-organismes ont développé des organites spécialisés, comme les cils et les flagelles, pour surmonter les défis de, selon les mots du lauréat du prix Nobel [Edward] Purcell, 'la vie à un faible nombre de Reynolds, '", a déclaré Raj Kumar Manna, un étudiant diplômé du Département de physique de l'Institut indien de technologie de Madras. « Des expériences récentes ont démontré que des « battements » semblables à des flagelles pouvaient être obtenus in vitro, prouvant qu'il est possible d'obtenir un mouvement de « battement » périodique sans régulation biologique complexe. »

Combinant ce concept de régulation biologiquement indépendante avec "la synthèse réussie de l'autopropulsion, particules inorganiques, " il a également dit, leur a permis de créer un système de transport microscopique complètement artificiel.

Le groupe a initialement entrepris d'étudier les conceptions de tels systèmes de transport via une simulation informatique afin de trouver des conceptions pour leur "synthèse ultime" au sein du laboratoire.

Selon Manne, la plupart des concepts impliqués dans leur travail sont vieux de plus d'un siècle, datant du milieu des années 1800 avec les travaux du mathématicien George Stokes sur les équations éponymes pour l'écoulement visqueux lent. Le physicien Marian Smoluchowski a ensuite utilisé ce travail au début des années 1900 pour calculer le frottement, ou la soi-disant « interaction hydrodynamique, " entre des particules sphériques se déplaçant dans un fluide visqueux. " Nous avons appliqué ces techniques à la nouvelle situation de la nage au sein d'un fluide visqueux, " dit Manne.

Avec ces techniques, ils ont montré qu'il est possible de transporter des marchandises colloïdales via des filaments synthétiques actifs. "Nous avons fourni une conception pour un moteur de motilité entièrement biocompatible qui peut être utilisé pour une grande variété d'utilisations, " dit Manna. Et une telle variété est offerte par une découverte surprenante.

"La vitesse et l'efficacité ne sont pas liées au sein de ces systèmes, " dit Manna. " Par analogie, considérez l'énergie dépensée par un sprinter de 100 mètres et un coureur de marathon. Pour un budget d'énergie donné, il peut être dépensé en une brève rafale pour atteindre une vitesse élevée, ou plus lentement pour atteindre de longues distances. Cela nécessite des considérations de conception différentes, notre travail fournit donc un moyen de basculer le comportement de notre nageur synthétique entre ces deux modes."

Le travail a des implications potentielles pour des procédures telles que l'administration ciblée de médicaments et l'insémination. Plus généralement, le travail est pertinent pour les interventions thérapeutiques où la motilité défectueuse en physiologie est un problème.

"Il est difficile de prédire le moment où une conception informatique sera réalisée expérimentalement, puis aller au-delà des essais cliniques vers l'usage médical. Mais, si le développement passé dans ce domaine est un guide, nous prévoyons que certaines de ces technologies deviendront réalisables d'ici une dizaine d'années, " dit Manne.

Quant à la suite du groupe, Manne a dit, "Nous aimerions inclure des degrés croissants de réalisme dans notre analyse pour obtenir un environnement plus proche du sang, regardez des géométries qui ressemblent plus à des capillaires ramifiés, explorer des conceptions pour une plus grande efficacité énergétique, et aussi collaborer plus étroitement avec les expérimentateurs."