Les nageurs les plus courants de la nature sont des organismes unicellulaires tels que les microalgues qui nagent vers des sources lumineuses, et les spermatozoïdes qui nagent vers un ovule. Pour un physicien, les cellules sont simplement des machines biochimiques, qui doit obéir à des lois bien décrites de la chimie et de la physique. Les scientifiques peuvent-ils donc créer nager des micro-machines sans invoquer la biologie ?

Dirigé par la physicienne Corinna Maass, le groupe Active Soft Matter du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization vise à créer des modèles de nageurs souples à partir de constituants purement liquides. Ils ont récemment créé stable, nageurs à gouttelettes automoteurs et orientables avec compartiments fermés. Leurs résultats sont publiés dans la revue Lettres d'examen physique .

Les micronageurs artificiels de type cellulaire pourraient fournir des applications nouvelles et passionnantes, par exemple, un système d'administration de médicament microscopique nageant qui s'auto-guide vers l'organe cible, et est ensuite absorbé sans danger par le corps. De plus, les micronageurs purement physiques peuvent fournir des modèles pour comprendre la physique régissant les nageurs biologiques. En utilisant des modèles de nageurs simplifiés au maximum, Corinna Maaß et son groupe testent quels composants et mécanismes d'une cellule vivante pourraient être particulièrement nécessaires pour fournir des fonctions spécifiques.

« Nos prototypes de cellules artificielles doivent répondre à plusieurs exigences :ils doivent s'autopropulser spontanément; ils doivent pouvoir contenir des compartiments pour le transport de marchandises ou comme base de réactions chimiques; et ils doivent être contrôlables, afin que nous puissions choisir sélectivement comment ils opèrent et dans quelles conditions ils libèrent leur cargaison, ", explique Maaß.

Avec ses collègues Babak Vajdi Hokmabad et Kyle Baldwin, elle a réussi cette tâche, en utilisant un système étonnamment simple :ils ont produit des coquilles d'huile qui renferment un ou plusieurs noyaux d'eau internes, ou émulsions doubles dites actives. De telles gouttelettes peuvent commencer à se déplacer spontanément si on les laisse se dissoudre lentement dans une solution concentrée de tensioactif ou de savon - d'une certaine manière, le tensioactif agit comme un carburant soutenant le mouvement de la gouttelette jusqu'à ce qu'elle soit complètement dissoute.

Gouttelettes de cristaux liquides stables

Typiquement, une telle émulsion est instable car l'huile et l'eau se désagrègent avec le temps, un effet observé dans la vie de tous les jours lorsque l'huile décante la vinaigrette. De la même manière, les nageurs actifs à double émulsion sont susceptibles d'éclater dès qu'ils bougent, lorsque le noyau interne est balayé vers la limite des gouttelettes. L'équipe a réussi à empêcher l'éclatement des obus en choisissant un cristal liquide comme matériau de l'obus.

Les cristaux liquides sont des huiles qui s'écoulent de la même manière qu'une huile ordinaire, mais les molécules d'huile sont disposées selon un motif ordonné, qui préfère que le noyau aqueux soit au centre de la gouttelette. Si le noyau est balayé vers le bord pendant le mouvement, la déformation de l'ordre fournit une force qui le repousse vers le centre. Les simulations numériques de Christian Bahr ont montré que cette barrière énergétique est, En effet, suffisant pour stabiliser la coque. En comparaison, les expériences de l'équipe montrent que seules les coques à cristaux liquides restent stables, tandis que les coquillages fabriqués à partir d'huiles ordinaires éclatent presque immédiatement dès qu'ils commencent à nager.

Gouttelettes de hibou et mouvement en zigzag

Les coquillages stables nageront alors jusqu'à plusieurs heures, rétrécissant à mesure qu'ils se dissolvent, jusqu'à ce qu'ils deviennent trop minces et éclatent. Pendant ce temps, leur mouvement est fascinant - ils ne nagent pas en ligne droite, mais dans un méandre complexe qui rappelle les ailerons de requin. Babak Vajdi Hokmabad dit, "Cette, trop, remonte à la physique fondamentale. Si le noyau est hors axe par rapport à la direction du mouvement de la coque, il subira un couple le forçant dans une courbe qui le ramènera finalement sur sa propre piste. Ce sentier contient du carburant épuisé, qui repousse à nouveau la gouttelette. Le couple s'inverse, et avec elle, le mouvement incurvé de la gouttelette s'inverse également."

Par ailleurs, le groupe a démontré que ce comportement sinueux peut être désactivé à volonté - si la coque contient deux noyaux, ils s'arrangent symétriquement autour de l'axe de mouvement. Dans ce cas, il n'y a pas de couple et la coque nage tout droit. "Sous la microscopie polarisée, ces coques à double noyau ont un aspect très hibou, ", dit Kyle Baldwin.

Les scientifiques ont proposé d'autres moyens de guider les nageurs :les gouttelettes se fixent aux murs, de telle sorte que l'on puisse construire un « chemin de fer à gouttelettes, " et recherchez les zones à plus forte densité de carburant.

Nageurs flexibles et orientables

Ces caractéristiques font des coquillages d'excellents nageurs modèles biomimétiques - ils sont de taille comparable, vitesse et déformabilité aux vrais bionageurs, mais sans aucun composant biochimique compliqué. Leur mouvement est déterminé par des lois physiques fondamentales et élégantes et des symétries spontanément brisées, et en contrôlant ces symétries, les chercheurs peuvent également contrôler le comportement de nage.

"Un avantage crucial des émulsions doubles est que le noyau ne contribue pas au mécanisme du mouvement, et ne se dissout pas, Soit, " dit Maaß. " Ainsi, nous pouvons le fonctionnaliser pour transporter des réactifs chimiques ou des briques biologiques comme des protéines ou des enzymes, et à un moment donné, reproduire vraiment la physique de la vie."