Ученые создали шарики размером с микроб, которые могут использовать энергию окружающей среды для самодвижения вверх по течению чисто физическими средствами.
Жизнь трудно определить, но метаболизм, подвижность и репликация - это три общепризнанных элемента. Бусины не живые, но они отвечают двум из этих трех требований.
«Живые системы меняют свое поведение в зависимости от окружающей среды», - сказал Джереми Палаччи, профессор физики Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Итак, вопрос заключался в том, можем ли мы создать частицу, которая может ощущать свое окружение без нервной системы или биологических частей. Это основная особенность живых систем, и идея заключалась в том, чтобы реализовать ее в синтетической системе».
Палаччи и его коллеги обернули бледным полимером крошечные кубики гематита, темного минерала железа и кислорода, который выступает из сферических шариков в виде красноватой точки. Оставшись одни в жидкости, бусинки дрейфуют по течению, как палочки в реке.
Под синим светом гематит проводит электричество, а при погружении в перекись водорода катализирует химическую реакцию по отделению кислорода от водорода. Это создает химические градиенты и осмотические потоки. Полимерные шарики движутся вперед по этим потокам в направлении их гематитовых выступов.
В неподвижной ванне шарики следуют колеблющимся траекториям, поскольку тепловое движение молекул воды ударяет их со всех сторон. Этот паттерн движения, называемый постоянным случайным блужданием, аналогичен бегу и кувырканию бактерий, сперматозоидов и водорослей.
Если из пипетки направить поток перекиси водорода в ванну, шарики будут подниматься вверх по течению до тех пор, пока поток из пипетки не будет в равной степени противодействовать их прямому импульсу. Частицы окружали кончик пипетки на расстоянии, где их движение компенсировалось скоростью потока, сообщают Палаччи и его коллеги в журнале Science Advances от 1 мая.
Простая физическая модель, называемая передемпфированным броуновским маятником, описывает закономерность и предсказывает точку застоя, в которой скапливаются шарики.
«Что действительно здорово, так это то, что механизм, который мы использовали для того, чтобы заставить частицы двигаться вверх по течению, действительно существует в природе и используется некоторыми паразитами для противодействия промывочным потокам для колонизации мочевого пузыря», - сказал Палаччи..
Это важный шаг к созданию биомиметических микросистем, способных ощущать изменения окружающей среды и реагировать на них.
Миграция по градиенту, называемая таксисом, встречается повсюду в природе. Одним из примеров является ежедневная вертикальная миграция морского планктона к солнечному свету, и именно так многие микробы находят пищу.
"Если вы можете создать частицы, которые могут чувствовать свое окружение, и вы сделали еще один шаг вперед в создании "умных" частиц, которые могли бы направлять себя к определенным органам, вы могли бы подумать о частицах, которые плывут против кровотока, чтобы исправить закупоренные артерии. », - говорит Палаччи, добавляя, что такое приложение «очевидно еще впереди."