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Sui nuotatori microscopici artificiali – singolarmente e collettivamente

Il movimento della singola cella che si osserva nei batteri e negli spermatozoi possiede delle somiglianze straordinarie con i micro nuotatori che mostrano un comportamento collettivo complesso. Dei ricercatori finanziati dall’UE hanno sviluppato e studiato dei nuotatori microscopici artificiali al fine di chiarire le dinamiche di fondo.
Sui nuotatori microscopici artificiali – singolarmente e collettivamente
Nei sistemi biologici, le unità individuali semplici solitamente formano delle strutture complesse tramite assemblaggio dinamico e comportamento collettivo. La formazione di batteri e biofilm o l’unione dei filamenti di DNA ne sono degli esempi classici.

Nell’ambito dell’iniziativa S.O.F.T. (Swimmers: one, few, thousands), i ricercatori hanno prodotto dei nuotatori microscopici artificiali biomimetici. Questi presentavano dei flagelli artificiali che sono attivati mediante campi magnetici esterni, reazioni chimiche o espulsione di nano bolle.

I ricercatori hanno esaminato in modo esauriente un nuotatore microscopico artificiale che comprende goccioline liquide autopropulse che sono spinte dall’effetto Marangoni basato sui gradienti di tensione superficiale. Essi hanno sviluppato un modello numerico flessibile che può essere adattato a qualsiasi tipo di nuotatore microscopico usando il metodo di tipo level set per comprendere la meccanica della propulsione.

Gli scienziati di S.O.F.T. hanno ricavato il campo di velocità all’interno e all’esterno delle singole goccioline per differenti dimensioni della gocciolina, oltre che per differenti concentrazioni del surfattante. Degna di interesse è la riproduzione del tipico comportamento chemiotattico spesso osservato in nuotatori microscopici artificiali e biologici come ad esempio i batteri.

Il team si è concentrato sui batteri Shewanella oneidensis, conosciuti per il loro potenziale non sfruttato relativo alla produzione di energia pulita, che include la lavorazione di biocarburante, micro batterie e gas idrogeno. Un importante fattore che ostacola il loro utilizzo è che il periodo necessario per la formazione del biofilm batterico dura diversi giorni.

Per trovare un modo di ridurre il tempo di formazione della loro banda chemiotattica, i ricercatori hanno studiato l’impatto della vicinanza della bolla d’aria sugli Shewanella. Essi hanno sviluppato un modello numerico e hanno monitorato i campi di concentrazione degli Shewanella rispetto al tempo per differenti dimensioni delle bolle e concentrazioni batteriche iniziali.

I risultati del modello sono uguali a quelli sperimentali, ed essi sono stati in grado di portare a termine uno studio parametrico e applicare una pressione guidata acusticamente alla bolla. Questo ha ridotto notevolmente il tempo di formazione della banda chemiotattica, riducendolo a pochi minuti.

I risultati dello studio di S.O.F.T. hanno delle vaste applicazioni in settori quali tecnologie microrobotiche avanzate, produzione di biocarburante, trasporto merci e rilascio controllato di farmaci, in aggiunta alla diagnostica medica.

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Keywords

Nuotatore microscopico artificiale, batteri, biofilm, S.O.F.T., modello numerico, Shewanella Oneidensis, biocarburante, rilascio farmaco