Los nadadores más comunes de la naturaleza son organismos unicelulares como las microalgas que nadan hacia fuentes de luz, y espermatozoides que nadan hacia un óvulo. Para un físico las células son simplemente máquinas bioquímicas, que deben obedecer leyes bien descritas de la química y la física. Por lo tanto, ¿pueden los científicos crear ¿Micro-máquinas de natación sin invocar la biología?

Dirigido por la física Corinna Maass, el grupo Active Soft Matter del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización tiene como objetivo crear modelos de nadadores suaves a partir de componentes puramente líquidos. Recientemente han creado estable, nadadores de gotas autopropulsados ​​y orientables con compartimentos cerrados. Sus resultados se publican en la revista Cartas de revisión física .

Los micro nadadores artificiales similares a células podrían proporcionar aplicaciones nuevas y emocionantes, por ejemplo, un sistema de administración de fármacos microscópico que nada que se auto-guía hacia el órgano objetivo, y luego es absorbido inofensivamente por el cuerpo. Es más, Los micro nadadores puramente físicos pueden proporcionar modelos para comprender la física que rige a los nadadores biológicos. Al utilizar modelos de nadadores simplificados al máximo, Corinna Maaß y su grupo prueban qué componentes y mecanismos de una célula viva podrían ser únicamente necesarios para proporcionar funciones específicas.

"Nuestros prototipos de células artificiales tienen que cumplir varios requisitos:deben autopropulsarse espontáneamente; deben poder contener compartimentos para transportar carga o como base para reacciones químicas; y deben ser controlables, para que podamos elegir selectivamente cómo operan y bajo qué condiciones liberan su carga, "Explica Maaß.

Con sus colegas Babak Vajdi Hokmabad und Kyle Baldwin, ella ha logrado esta tarea con éxito, utilizando un sistema sorprendentemente simple:produjeron conchas de aceite que encierran uno o más núcleos de agua internos, o las denominadas emulsiones dobles activas. Estas gotas pueden comenzar a moverse espontáneamente si se les permite disolverse lentamente en una solución concentrada de surfactante o jabón; de alguna manera, el tensioactivo actúa como combustible apoyando el movimiento de la gota hasta que se disuelve por completo.

Gotas de cristal líquido estables

Típicamente, una emulsión de este tipo es inestable, ya que el aceite y el agua se desintegran con el tiempo, un efecto que se observa en la vida cotidiana cuando el aceite se decanta de la vinagreta. Similar, los nadadores activos de doble emulsión son susceptibles de reventar tan pronto como se mueven, a medida que el núcleo interno se desplaza hacia el límite de la gota. El equipo pudo evitar que las cáscaras estallaran eligiendo un cristal líquido como material de la cáscara.

Los cristales líquidos son aceites que fluyen de la misma manera que un aceite normal, pero las moléculas de aceite están dispuestas en un patrón ordenado, que prefiere que el núcleo acuoso esté en el centro de la gota. Si el núcleo se desplaza hacia el borde durante el movimiento, la distorsión del orden proporciona una fuerza que lo empuja hacia el centro. Las simulaciones numéricas de Christian Bahr han demostrado que esta barrera de energía es, Por supuesto, suficiente para estabilizar la cáscara. En comparación, Los experimentos del equipo muestran que solo las cáscaras de cristal líquido permanecen estables, mientras que las conchas hechas de aceites regulares explotan casi de inmediato tan pronto como comienzan a nadar.

Gotas de búho y movimiento en zigzag

Las conchas del establo nadarán durante varias horas, encogiéndose mientras se disuelven, hasta que se adelgacen demasiado y revienten. Durante este tiempo, su movimiento es fascinante:no nadan en línea recta, pero en un intrincado meandro que recuerda a las aletas de tiburón. Babak Vajdi Hokmabad dice:"Ese, también, se remonta a la física fundamental. Si el núcleo está fuera del eje con respecto a la dirección de movimiento del caparazón, experimentará un par de torsión que lo obligará a tomar una curva que finalmente lo llevará de regreso a su propio camino. Este sendero contiene combustible gastado, que repele la gota de nuevo. El par se invierte, y con eso, el movimiento curvo de la gota también se invierte ".

Es más, el grupo demostró que este comportamiento serpenteante se puede apagar a voluntad, si el caparazón contiene dos núcleos, se disponen simétricamente alrededor del eje de movimiento. En este caso, no hay torsión y el caparazón nada recto. "Bajo microscopía polarizada, estas conchas de doble núcleo tienen una apariencia muy parecida a la de un búho, "Dice Kyle Baldwin.

Los científicos idearon más formas de guiar a los nadadores:las gotas se adhieren a las paredes, tal que se pudiera construir un "ferrocarril de gotitas, "y busque áreas con mayor densidad de combustible.

Nadadores flexibles y orientables

Estas características hacen que las conchas sean excelentes modelos biomiméticos para nadar:son comparables en tamaño, velocidad y deformabilidad a los bionadadores reales, pero sin componentes bioquímicos complicados. Su movimiento está establecido por leyes físicas fundamentales y elegantes y simetrías rotas espontáneamente, y controlando estas simetrías, los investigadores también pueden controlar el comportamiento de natación.

"Una ventaja crucial de las emulsiones dobles es que el núcleo no contribuye al mecanismo de movimiento, y no se disuelve, cualquiera, "dice Maaß." Por lo tanto, podemos funcionalizarlo para transportar reactivos químicos o componentes biológicos como proteínas o enzimas, y en algún momento, replicar verdaderamente la física de la vida ".