Une nouvelle étude publiée dans Lettres d'examen physique décrit un moyen d'augmenter la capacité de chargement de microscopique, gouttelettes autopropulsées connues sous le nom de « micronageurs ». Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation ont découvert que lorsqu'une école de micronageurs se déplace dans la même direction à l'intérieur d'un canal étroit, ils peuvent multiplier par 10 le nombre de particules qu'ils peuvent transporter. Leurs découvertes ont des implications pour des applications allant des systèmes d'administration de médicaments aux matériaux avec des revêtements actifs.

Comme de nombreuses entreprises scientifiques, celui-ci a commencé par une simple observation. Lors d'un dîner-conférence au Georgia Aquarium, le physicien Arnold Mathijssen et ses collègues ont remarqué que de grands bancs de poissons nageurs semblaient transporter de petites particules et des débris dans leur sillage. Cela se produit à cause de l'entraînement hydrodynamique, un processus où, lorsqu'un objet se déplace dans un liquide, il génère un flux et entraîne avec lui des objets proches.

"Nous nous demandions, Alors que les poissons de l'aquarium nagent vers l'avant, est-ce qu'une particule est également entraînée vers l'avant, ou est-il poussé vers l'arrière par leurs queues ?" dit Mathijssen. "Notre question centrale était de savoir si ces types faisaient avancer les choses ou non, et l'hypothèse était que, si nous pouvons voir cela se produire dans l'aquarium, peut-être que cela s'applique également au microscope."

Pour répondre à la question, Chercheurs de l'Institut Max Planck Chenyu Jin, Yibo Chen, et Corinna Maass a mené des expériences en utilisant des micronageurs synthétiques, gouttelettes autopropulsées d'huile et de surfactant qui sont un système modèle pour les robots microscopiques. À l'aide de leurs micronageurs, les chercheurs ont pu mesurer la force des flux générés par un nageur individuel et la quantité de matière qu'un individu pouvait emporter avec lui lorsqu'il traversait un canal bidimensionnel. Puis, une fois les données collectées, Mathijssen et son groupe ont développé un modèle théorique pour aider à expliquer leurs découvertes.

Un défi particulier pour le développement du modèle était de trouver un moyen de décrire les effets des parois du canal microscopique car, contrairement à l'aquarium, cette expérience a été menée dans un espace confiné. "Ce confinement affecte vraiment les flux et, par conséquent, affecte le volume total de choses que vous pouvez transporter. Il y a pas mal de littérature en termes de modélisation des particules actives, mais il est difficile de bien faire les choses dans des environnements complexes, " dit Mathijssen.

En utilisant leurs données et leur modèle nouvellement développé, les chercheurs ont découvert que la capacité de transport d'un micronageur individuel pouvait être multipliée par 10 lorsqu'ils nageaient ensemble à l'intérieur d'un canal étroit. Ils ont également constaté que la vitesse d'entraînement, ou la vitesse à laquelle les particules avancent, était beaucoup plus important qu'initialement prévu.

Par rapport à un système plus ouvert, comme l'aquarium, avoir un canal confiné semble améliorer le mouvement des particules, dit Mathijssen. "Si vous êtes dans un monde en trois dimensions, l'énergie que vous injectez dans votre système se répand dans toutes les directions. Ici, où il se concentre dans un plan à deux dimensions, la force des flux est plus grande. C'est presque comme si vous aviez un sillage à l'avant et à l'arrière, donc l'effet est deux fois plus fort, effectivement, " il dit.

Une autre découverte surprenante était la puissance de cet effet même sur de longues distances dans un système comme celui-ci avec un faible nombre de Reynolds, une valeur utilisée par les scientifiques pour prédire les modèles d'écoulement de liquide. Les systèmes avec de faibles nombres de Reynolds ont des écoulement laminaire (comme une cascade), et ceux avec des valeurs élevées sont plus turbulents.

"Ici, les différences entre les nombres de Reynolds bas et élevés est que, aux faibles nombres de Reynolds, ces flux ont tendance à être de très longue durée. Même si vous êtes à 10 longueurs de corps, ces flux sont encore importants. Aux nombres de Reynolds plus élevés, ce n'est pas forcément vrai car il y a beaucoup de turbulences, et qui perturbe cet effet d'entraînement, " dit Mathijssen.

Les chercheurs pensent que cela pourrait être dû à la symétrie avant et arrière qui se produit dans un système fermé. "A de faibles nombres de Reynolds, vous avez une pression devant la goutte, et que la pression pousse le liquide vers l'avant sur une grande distance, " dit Mathijssen.

De futures expériences examineront comment cet effet se produit dans les systèmes qui ont des nombres de Reynolds plus élevés. On pense que les poissons dépendent d'un phénomène similaire lorsqu'ils nagent les uns derrière les autres en grands bancs, semblable à des cyclistes qui se tirent les uns les autres dans un peloton, les chercheurs pensent donc qu'un effet similaire pourrait également se produire dans d'autres systèmes.

Et parce que la physique sous-jacente décrite dans cette étude s'applique également à beaucoup d'autres, ces résultats ont également des implications pour un certain nombre d'autres domaines, de la conception de systèmes d'administration de médicaments, comprendre comment les biofilms transportent les nutriments, et la conception de matériaux actifs, ceux qui ont des revêtements ou des propriétés uniques qui les imprègnent de caractéristiques dynamiques.

"Le plus grand tableau en termes de physique est de voir comment les composants actifs individuels peuvent travailler ensemble afin de donner naissance à une fonctionnalité partagée, ce que nous appelons des phénomènes émergents, à l'échelle macroscopique, " dit Mathijssen. " Et là, il n'y a pas de livre de règles, il n'y a pas encore de lois de la physique qui décrivent ces systèmes qui sont hors d'équilibre, il y a donc des questions fondamentales de physique théorique qui restent sans réponse. »