O sztucznych mikropływakach – w ujęciu pojedynczym i zbiorowym
W systemach biologicznych proste pojedyncze jednostki często tworzą złożone struktury poprzez zachowania zbiorowe i zdolność do dynamicznego gromadzenia się. Klasycznym przykładem jest tworzenie biofilmu przez bakterie lub parowanie nici DNA. W ramach projektu S.O.F.T. (Swimmers: one, few, thousands) naukowcy wyprodukowali biomimetyczne sztuczne mikropływaki, w tym sztuczne wici aktywowane przez zewnętrzne pola magnetyczne, reakcje chemiczne lub nanopęcherzyki. Naukowcy przeprowadzili kompleksowe badanie sztucznego mikropływaka zawierającego kropelki cieczy poruszające się samoczynnie dzięki efektowi Marangoniego polegającym na wykorzystaniu różnicy napięć powierzchniowych. Opracowali elastyczny model numeryczny, który można zaadaptować do każdego rodzaju mikropływaka, wykorzystując metodę poziomic w celu zrozumienia mechaniki napędu. Naukowcy uczestniczący w projekcie S.O.F.T. uzyskali pole prędkości wewnątrz i na zewnątrz pojedynczych kropelek o różnych wielkościach oraz stężeniu środka powierzchniowo-czynnego. Przedmiotem zainteresowania była reprodukcja typowej chemotaksji często obserwowanej w przypadku sztucznych mikropływaków i mikroorganizmów pływających, takich jak bakterie. Zespół badał bakterie z gatunku Shewanella oneidensis, które można wykorzystywać do produkcji czystej energii, w tym biopaliw, mikrobaterii i gazu wodorowego. Głównym czynnikiem utrudniającym wykorzystanie tego potencjału jest fakt, iż okres formowania biofilmu bakteryjnego wynosi kilka dni. Aby znaleźć sposób na skrócenie czasu tworzenia się wiązań na drodze chemotaksji, naukowcy zbadali wpływ bliskości pęcherzyków powietrza na bakterie Shewanella. Stworzyli model numeryczny i śledzili stężenia bakterii Shewanella w czasie w przypadku różnych rozmiarów pęcherzyków i różnych początkowych stężeń bakterii. Wyniki uzyskane na podstawie tego modelu odpowiadały wynikom uzyskanym z badań, dzięki czemu naukowcy mogli przeprowadzić badanie parametryczne i doprowadzić ciśnienie akustyczne do pęcherzyków. To pozwoliło na znaczne skrócenie czasu formowania się wiązań na drodze chemotaksji do zaledwie kilku minut. Wyniki projektu S.O.F.T. mają szerokie zastosowanie w zaawansowanych technologiach mikrorobotycznych, produkcji biopaliw, transporcie ładunków i kontrolowanym dostarczaniu leków, a także w diagnostyce medycznej.
Słowa kluczowe
Sztuczne mikropływaki, bakteria, biofilm, S.O.F.T., model numeryczny, Shewanella Oneidensis, biopaliwo, dostarczanie leków
