Investigadores de la Universidad Metropolitana de Tokio han estudiado cómo los micro nadadores, como bacterias o esperma, nadar a través de fluidos con propiedades tanto sólidas como líquidas, p.ej., geles Descubrieron que los cambios sutiles en las características de un nadador, su estructura, y cómo se mueve invoca una respuesta dramáticamente diferente del fluido. También descubrieron que la similitud de tamaño entre la estructura del fluido y el nadador conducía a una amplia gama de comportamientos interesantes.

La natación es un asunto complicado para el microorganismo. Un chapuzón en la piscina puede no parecer tan difícil, pero a escalas microscópicas, o en números bajos de Reynolds, el efecto de la viscosidad del fluido impone severas limitaciones a la natación. Todavía, la naturaleza lo logra; Los micro nadadores juegan un papel vital en una amplia gama de fenómenos, incluyendo la motilidad de los espermatozoides y el movimiento activo de las bacterias.

Para entender a los nadadores, Los estudios anteriores se han centrado en modelos mínimos de comportamiento del nadador en fluidos uniformes. Un modelo particularmente popular es el llamado "micro nadador de tres esferas, "una cadena de tres esferas microscópicas unidas entre sí por brazos; la cuerda puede impulsarse bombeando los brazos hacia atrás y hacia adelante en un líquido. Esta secuencia simple supera las limitaciones del teorema de la" vieira "de Purcell, que dice que el movimiento que se ve igual cuando se reproduce al revés (simetría de inversión de tiempo), como una vieira abriéndose y cerrándose, no se puede utilizar para la locomoción.

Pero, ¿qué pasa con el fluido? En el caso de los espermatozoides que viajan a través del moco cervical para llegar a los óvulos en la reproducción de los mamíferos, el moco es un ejemplo de materia blanda, donde la estructura interna, en este caso de azúcares y proteínas, responde de manera compleja al movimiento del nadador. Para abordar este asunto, un equipo formado por Kento Yasuda y el profesor asociado Shigeyuki Komura de la Universidad Metropolitana de Tokio y Ryuichi Okamoto, profesor de la Universidad de Okayama, estudió cómo se comportan los micro nadadores de tres esferas en un fluido estructurado, un gel de polímero, p. ej. gelatina.

Su análisis reveló que, en términos generales, existían dos mecanismos para lograr el movimiento, uno rompiendo la simetría de inversión del tiempo, el otro modulando las amplitudes en el batir de los dos brazos del nadador. Con este último, se encontró que la natación se podía lograr sin romper la simetría anterior, una laguna en el teorema de la vieira. Mediante un análisis más detallado, lograron derivar expresiones de cómo la velocidad del nadador se relacionaba con cómo un fluido estructurado resiste el movimiento de un nadador. Curiosamente, descubrieron que cuando los nadadores eran más grandes que el tamaño de malla del gel, hubo mayor resistencia con golpes más rápidos, una conclusión un tanto contradictoria.

Este trabajo marca un progreso significativo en acercar un modelo popular de nadador mínimo a casos experimentales relevantes. incluyendo el batir de los pelos ("cilios") en las células y la motilidad de las bacterias. También puede ver la aplicación a escenarios más exóticos, p.ej. la locomoción de los robots a través de los escombros después de los deslizamientos de tierra. El estudio ha sido publicado en línea en la revista Cartas de Eurofísica .