(Phys.org) - Lorsque les chercheurs déposent une goutte de liquide contenant des milliers de nage libre, génétiquement modifié E. coli sur un réseau de micromoteurs, en quelques minutes, les micromoteurs commencent à tourner. Certaines des bactéries individuelles ont nagé la tête la première dans l'une des 15 microchambres gravées sur le bord extérieur de chaque micromoteur, et avec leurs flagelles dépassant à l'extérieur des microchambres, ensemble les bactéries nageuses font tourner les micromoteurs, un peu semblable à la façon dont une rivière qui coule fait tourner un moulin à eau.

Les chercheurs, dirigé par Roberto Di Leonardo, professeur de physique à la Sapienza Università di Roma et à NANOTEC-CNR, tous deux à Rome, ont publié un article sur les micromoteurs alimentés par des bactéries dans un récent numéro de Communication Nature .

"Notre conception combine une vitesse de rotation élevée avec une énorme réduction des fluctuations par rapport aux tentatives précédentes basées sur des bactéries de type sauvage et des structures plates, " a déclaré Di Leonardo. "Nous pouvons produire de grands ensembles de rotors contrôlés indépendamment qui utilisent la lumière comme source d'énergie ultime. Ces dispositifs pourraient un jour servir d'actionneurs bon marché et jetables dans des microrobots pour collecter et trier des cellules individuelles à l'intérieur de laboratoires biomédicaux miniaturisés. »

Un fluide tel que celui utilisé ici, qui contient de grandes quantités de bactéries nageuses, est appelé "fluide actif" en raison de l'énergie mécanique qu'il contient. Afin que les fluides actifs soient utilisés comme carburant pour propulser des micromachines, le mouvement désordonné des bactéries doit être contrôlé afin que toutes (ou la plupart) des bactéries se déplacent dans la même direction.

C'est essentiellement ce que font les micromoteurs. Les microchambres le long des bords de chaque micromoteur sont inclinées à un angle de 45°, ce qui maximise le couple total avec lequel les bactéries peuvent faire tourner les moteurs. Dans leur conception, les chercheurs ont également construit une rampe radiale avec des barrières stratégiquement placées qui dirigent les bactéries nageuses dans les microchambres. Dans les expériences, les chercheurs ont découvert que la vitesse de rotation d'un micromoteur augmente linéairement avec le nombre de bactéries capturées, et ils pouvaient facilement atteindre des vitesses de rotation de 20 tours par minute.

Une autre exigence importante pour tout micromoteur alimenté par des bactéries est la capacité de contrôler le mouvement du micromoteur. Pour faire ça, les chercheurs ont génétiquement modifié le E. coli souche pour exprimer une pompe à protons actionnée par la lumière appelée protéorhodopsine qui utilise l'énergie des photons pour pomper des protons contre le gradient électrochimique, ce qui augmente la vitesse de nage des bactéries. En éclairant les micromoteurs alimentés par des bactéries avec différentes intensités lumineuses, les chercheurs pouvaient alors contrôler la vitesse des micromoteurs.

Pour que ces systèmes soient utilisés dans des applications pratiques, il est également important que tous les micromoteurs d'un réseau aient des vitesses moyennes uniformes et peu fluctuantes. À l'aide d'un algorithme de rétroaction qui illumine uniformément le système toutes les 10 secondes, les chercheurs ont démontré que les micromoteurs peuvent être synchronisés efficacement avec très peu de variation de vitesse. En utilisant cette méthode de contrôle de la lumière, les chercheurs pourraient faire tourner un ensemble de micromoteurs à l'unisson à une vitesse particulière.

Les micromoteurs propulsés par des bactéries ont des applications médicales potentielles, tels que la livraison de médicaments et de marchandises, que les chercheurs prévoient d'étudier à l'avenir.

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