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À propos des micronageurs artificiels, individuellement et collectivement

Le mouvement des cellules individuelles tel qu'il est observé dans les bactéries et les spermatozoïdes présente des similitudes frappantes avec les micronageurs qui ont des comportements collectifs complexes. Des chercheurs financés par l'UE ont développé et examiné des micronageurs artificiels pour élucider la dynamique sous-jacente.
À propos des micronageurs artificiels, individuellement et collectivement
Dans les systèmes biologiques, des unités individuelles simples forment souvent des structures complexes par assemblage dynamique et comportements collectifs. Les bactéries et la formation de biofilms ou la formation de paires de brins d'ADN sont des exemples classiques.

Dans le cadre de l'initiative S.O.F.T. (Swimmers: one, few, thousands), des chercheurs ont produit des micronageurs artificiels biomimétiques. Ceux-ci contenaient des flagelles artificiels activés par des champs magnétiques externes, des réactions chimiques ou l'éjection de nanobulles.

Les chercheurs ont étudié de manière approfondie un micronageur artificiel comportant des gouttelettes liquides autopropulsées conduites par l'effet Marangoni en fonction de gradients de tension de surface. Ils ont développé un modèle numérique souple qui peut être adapté à n'importe quel type de micronageur en utilisant la méthode de définition de niveau pour comprendre la mécanique de propulsion.

Les chercheurs de l'initiative S.O.F.T. ont déterminé le champ de vitesse à l'intérieur et à l'extérieur de gouttelettes individuelles pour différentes tailles de gouttelette et concentrations de surfactant. L'intérêt réside dans la reproduction du comportement chimiotactique classique souvent observé chez les micronageurs artificiels et biologiques comme les bactéries.

L'équipe s'est concentrée sur la bactérie Shewanella oneidensi, reconnue pour son potentiel inexploité en matière de production d'énergie propre, notamment de biocarburant, de microbatteries et d'hydrogène gazeux. Un facteur majeur limitant leur utilisation est que la durée nécessaire à la formation de biofilm bactérien est de plusieurs jours.

Pour trouver un moyen de réduire la durée nécessaire pour la formation de bande chimiotactique, les chercheurs ont étudié l'impact de la proximité de bulles d'air sur la bactérie Shewanella. Ils ont développé un modèle numérique et contrôlé les champs de concentration de Shewanella dans le temps pour différentes tailles de bulles et concentrations bactériennes initiales.

Les résultats du modèle correspondaient aux résultats expérimentaux et ils ont permis d'effectuer une étude paramétrique et d'introduire une pression alimentée acoustiquement dans la bulle. Cela a réduit de manière impressionnante le temps nécessaire à la formation de bandes chimiotactiques à seulement quelques minutes.

Les résultats de l'étude S.O.F.T. ont des applications vastes dans les technologies avancées de microrobotique, de production de biocarburants, de transport de marchandises et d'administration contrôlée de médicaments, ainsi que pour les diagnostics médicaux.

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Mots-clés

Micronageur artificiel, bactéries, biofilm, S.O.F.T., Modèle numérique, Shewanella Oneidensis, biocarburant, administration de médicaments