Коллектив ученых из США экспериментально показал на примере кишечной палочки (Escherichia coli), что подвижные бактерии быстрее плавают, если в воду добавить растворимый полимер. Несмотря на то, что в такой системе увеличивается вязкость, микроорганизмы все равно в итоге передвигаются быстрее, так как меньше кувыркаются. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Авторы наблюдали за перемещениями одиночных Escherichia coli в водном буфере с различной концентрацией полимера. Для характеристики движения физики рассчитывали коэффициенты поступательной и вращательной диффузии, а также измеряли, как часто бактерии изменяли направление (кувыркались) и какое расстояние в среднем проплывали до очередного кувырка. Повышение концентрации полимера привело к подавлению вращательной диффузии и усилению поступательной. Траектории движения становились менее «рваными», а длина пробега между кувырками увеличивалась.

Исследователи отмечают, что, на первый взгляд, увеличение концентрации полимера, а вместе с ней и вязкости раствора, должно приводить к подавлению как вращательного, так и поступательного движения. Однако из-за необычного эффекта система вела себя наоборот: собственное движение бактерий приводило к тому, что молекулы полимера вокруг немного растягивались, подобно пружинкам. Это натяжение, то есть упругость жидкости, в итоге и заставляло бактерии плыть быстрее.

Бактерии в полимерном растворе (траектории справа) двигаются быстрее и «прямее», чем в водном буфере (траектории слева). Изображение: A. E. Patteson et al./ Scientific Reports

Физики «подсматривают» за биологическими механизмами перемещения, чтобы на их основе создать искусственные микро- и наномоторы. Для них используется устоявшееся название «свиммер» (в оригинале — «swimmer», то есть «плавун»). Предполагается, что подобные частицы смогут управлять течениями в микроканалах и даже доставлять молекулярные «грузы» по адресу.

Примером такого «наномотора» являются объекты, покрытые с одной стороны слоем катализатора. Если к суспензии таких частиц добавить «топливо», например, перекись водорода, химическая реакция будет идти только с одной стороны, поэтому «мотор» начнет двигаться в противоположную сторону, как ракета.

Автор: Тарас Молотилин