Des chercheurs de l'Université métropolitaine de Tokyo ont étudié comment les micronageurs, comme les bactéries ou les spermatozoïdes, nager à travers des fluides avec des propriétés à la fois solides et liquides, par exemple., gels. Ils ont découvert que des changements subtils dans les traits d'un nageur, sa structure, et comment il se déplace invoque une réponse radicalement différente du fluide. Ils ont également découvert que la similitude de taille entre la structure du fluide et celle du nageur conduisait à un large éventail de comportements intéressants.

La natation est une affaire délicate pour le micro-organisme. Un plongeon dans la piscine peut ne pas sembler si difficile, mais à des échelles microscopiques, ou à faible nombre de Reynolds, l'effet de la viscosité du fluide impose des contraintes sévères à la natation. Encore, la nature y parvient; les micronageurs jouent un rôle vital dans un large éventail de phénomènes, y compris la motilité des spermatozoïdes et le mouvement actif des bactéries.

Pour comprendre les nageurs, des études antérieures se sont concentrées sur des modèles minimaux du comportement des nageurs dans des fluides uniformes. Un modèle particulièrement populaire est le soi-disant "micronageur à trois sphères, " une chaîne de trois sphères microscopiques attachées les unes aux autres par des bras; la chaîne peut être propulsée en pompant les bras vers l'avant et vers l'arrière dans un liquide. Cette séquence simple surmonte les limites du théorème de la « coquille Saint-Jacques » de Purcell, qui dit ce mouvement qui a le même aspect lorsqu'il est joué à l'envers (symétrie d'inversion du temps), comme une coquille Saint-Jacques qui s'ouvre et se ferme, ne peut pas être utilisé pour la locomotion.

Mais qu'en est-il du fluide? Dans le cas des spermatozoïdes traversant la glaire cervicale pour atteindre les ovules lors de la reproduction chez les mammifères, le mucus est un exemple de matière molle, où la structure interne, dans ce cas composé de sucres et de protéines, réagit de manière complexe au mouvement du nageur. Pour résoudre ce problème, une équipe composée de Kento Yasuda et du professeur agrégé Shigeyuki Komura de l'Université métropolitaine de Tokyo et Ryuichi Okamoto, maître de conférences à l'université d'Okayama, étudié le comportement des micronageurs à trois sphères dans un fluide structuré, un gel polymère, par ex. gelée.

Leur analyse a révélé qu'il y avait globalement deux mécanismes pour obtenir le mouvement, un en cassant la symétrie d'inversion du temps, l'autre en modulant les amplitudes des battements des deux bras du nageur. Avec ce dernier, il a été constaté que la natation pouvait être réalisée sans rompre l'ancienne symétrie, une faille dans le théorème du pétoncle. Grâce à une analyse plus détaillée, ils ont réussi à dériver des expressions pour la façon dont la vitesse du nageur était liée à la façon dont un fluide structuré résiste au mouvement d'un nageur. De façon intéressante, ils ont découvert que lorsque les nageurs étaient plus grands que la taille des mailles du gel, il y avait une plus grande résistance avec des coups plus rapides, une conclusion quelque peu contre-intuitive.

Ce travail marque un progrès significatif en rapprochant un modèle de nageur minimal populaire des cas expérimentalement pertinents, y compris le battement des poils ("cils") sur les cellules et la motilité des bactéries. Il peut également voir une application à des scénarios plus exotiques, par exemple. la locomotion des robots à travers les débris après les glissements de terrain. L'étude a été publiée en ligne dans la revue Lettres Europhysiques .