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Mikroskopische Organismen Rühren Fluids Bemerkenswert schnell und effektiv

Published on November 4, 2009 at 5:11 PM

In Studien über die Bewegung der kleinen Swimming-Bakterien, Wissenschaftler am US Department of Energy Argonne National Laboratory festgestellt, dass die mikroskopisch kleinen Organismen können Flüssigkeiten bemerkenswert schnell und effektiv zu rühren. Als Ergebnis konnte die bakterielle Flagellen wie winzige Motoren handeln, um Chemikalien, die in der biomedizinischen Kits mischen, unter anderen Anwendungen.

Dieses Bild zeigt die 3-D-Konzentration Verteilung des Schwimmens Bakterien Bacillus subtilis in dünner Flüssigkeitsfilm durch optische Kohärenztomographie erhalten.

Igor Aronson, ein Argonne Materialwissenschaftler und Andrey Sokolov, ein ehemaliger Doktorand von der Illinois Institute of Technology und nun Postdoktorand an der Princeton University, aufgetürmt Bacillus subtilis Bakterien in dünnen Schichten, die Physik, wie sie sich bewegen regieren zu entschlüsseln. Die Bakterien, die jeweils mit vielen winzigen Geißeln oder Schwänzen ausgestattet, kreuz und quer durch die Filme gedreht.

Etwa fünf Mikrometer lang, die Bakterien in der Regel schwimmen etwa 20 Mikrometer pro Sekunde. Verpackt zusammen, schwimmen sie schneller bis zu 100 Mikrometern pro Sekunde. "Scaled die menschliche Größe, es ist wie die Geschwindigkeit eines Zuges", sagte Aronson. "Sie sind wie kleine Torpedos."

Zwei Mechanismen steuern die Bewegungen der Bakterien in den Filmen. Wie Menschen, muss B. subtilis Sauerstoff zu überleben. In einem überfüllten Film werden die Sauerstoff verbraucht, das Senden Bakterien schwimmen an die Oberfläche für einen Schluck von Sauerstoff und dann wieder nach unten: ein Phänomen namens bioconvection.

Bakterielle Bewegung wird auch durch ein Prinzip genannt hydrodynamischen Entrainment diktiert. Bakterien, deren Wege sich kreuzen tendenziell körperlich ziehen sich gegenseitig an, und sie paaren im Tandem über das Feld zu reisen.

Sokolov und Aronson war früher eine Technik, die sie als "Bakterien Crowd Control", ein Verfahren zur Konzentrierung Bakterien, die einen milden elektrischen Strom verwendet, um die Bakterien näher zusammen Kraft entwickelt. Sie sahen, dass konzentrierte Bakterien in großen "Schulen", die in synch-Schwärme von Bakterien bewegen zusammen, gesteuert durch die einfachen Gesetze der Physik schwimmen selbst zu organisieren.

In der aktuellen Studie wollten die Forscher sehen, ob die kräftigen schwimmen würde Chemikalien gleichmäßig mischen in der Flüssigkeit. "Sie schwimmen so schnell, dass wir keinen signifikanten Gradienten von chemischen außer Sauerstoff gefunden", sagte Aronson.

Und etwas Sauerstoff Mischen entstanden sind: Die Bakterien verbessert die Verbreitung von 100-fach.

Eine zweite Überraschung kam, als die Forscher begannen, die Viskosität der Flüssigkeit, in der die Bakterien schwamm zu messen. Viskosität Maßnahmen, wie leicht eine Flüssigkeit fließt, zum Beispiel, hat Honig eine höhere Viskosität als Wasser.

Hinzufügen von mehr Sache einer Flüssigkeit in der Regel macht es dicker oder zähflüssiger, zum Beispiel das Hinzufügen Schmutz, Wasser produziert träge, zähe Schlamm. So konventionelle Weisheit würde vorschlagen, dass das Hinzufügen von vielen Bakterien, um die Flüssigkeit würde die Viskosität zu erhöhen.

"Aber zu unserer großen Überraschung, die Flüssigkeit tatsächlich wurde viel weniger viskos-um den Faktor sieben", sagte Aronson. Tausende von winzigen Motoren Versorgung der Bakterien tatsächlich helfen die Flüssigkeit zu fließen.

Aronson denkt die Bakterien als winzige Mikro-Motoren konnten für eine Reihe von zukünftigen Anwendungen rekrutiert werden. Zum Beispiel könnten bakterielle Mischer kleine Mengen von Flüssigkeiten für Tests und Proben zu kombinieren. Je kleiner eine Stichprobe ist, desto schwieriger wird es zu mischen; versuchen, kleine Proben zu kombinieren, ist aus diesem Grund schwierig. Für kleine, portable on-the-go medizinischen Test-Sets, die winzige Mengen von Chemikalien mischen müssen, eine Prise von Bakterien könnte das Wundermittel sein.

Zwei Papiere sind in diesem Artikel verwiesen. Das Papier "Enhanced Mischen und räumliche Instabilität in konzentrierter Bakteriensuspensionen" wurde in Physical Review E veröffentlicht und ist online verfügbar. Das zweite Papier, "Reduktion der Viskosität in der Schwebe zu schwimmen Bakterien", wurde in Physical Review Letters veröffentlicht und ist online verfügbar.

Die Finanzierung dieser Forschung wurde durch das Department of Energy Office of Basic Science zur Verfügung gestellt.

Argonne National Laboratory sucht Lösungen für drängende nationale Probleme in Wissenschaft und Technik. Die landesweit erste National Laboratory, Argonne Spitzentechnologie Grundlagen-und angewandte Forschung in nahezu allen Wissenschaftsdisziplinen. Argonne-Forscher arbeiten eng mit Forschern aus Hunderten von Unternehmen, Universitäten und Bundes-, Landes-und kommunalen Behörden zu helfen ihnen bei der Lösung ihrer spezifischen Probleme, vorab America 's wissenschaftliche Leitung und die Nation für eine bessere Zukunft. Mit Mitarbeitern aus über 60 Nationen ist Argonne durch UChicago Argonne, LLC für den US-Department of Energy Office of Science verwaltet.

Last Update: 9. October 2011 03:55

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