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Organismos microscópicos agitación Fluidos notable rapidez y eficacia

Published on November 4, 2009 at 5:11 PM

En los estudios del movimiento de las bacterias nadar pequeña, los científicos del Departamento de EE.UU. de Argonne Energía del Laboratorio Nacional encontró que los organismos microscópicos pueden mezclar líquidos con notable rapidez y eficacia. Como resultado, los flagelos de bacterias podrían actuar como motores pequeños para mezclar productos químicos en los kits de biomédica, entre otras aplicaciones.

Esta imagen muestra la distribución de la concentración de 3-D de la bacteria Bacillus subtilis nadar en película delgada de líquido obtenido mediante tomografía de coherencia óptica.

Igor Aronson, un científico de materiales de Argonne, y Andrey Sokolov, un estudiante graduado en el Instituto de Tecnología de Illinois y ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Princeton, apilados bacteria Bacillus subtillis en películas delgadas para decodificar la física que rigen la forma en que se mueven. Las bacterias, cada una equipada con flagelos muchos pequeños, o de las colas, tiro hacia atrás y adelante a través de las películas.

Cerca de cinco micrones de largo, las bacterias suelen nadar cerca de 20 micras por segundo. Embalarse en común, que nadan más rápido-hasta 100 micras por segundo. "Cambio de escala al tamaño humano, que es la velocidad de un tren", dijo Aronson. "Son como torpedos pequeños."

Dos mecanismos regulan los movimientos de las bacterias en el cine. Como los humanos, B. subtillis necesita oxígeno para sobrevivir. En una película llena, los niveles de oxígeno se agotan, el envío de las bacterias nadar hasta la superficie por un trago de oxígeno y luego hacia abajo de nuevo: un fenómeno llamado bioconvection.

Movimiento bacteriana también está dictada por un principio llamado arrastre hidrodinámico. Las bacterias que se cruzan tienden a atraer físicamente entre sí, y se emparejan para viajar en tándem a través del campo.

Sokolov y Aronson había desarrollado anteriormente una técnica que llamó "control de multitudes bacterias", un método de concentración de las bacterias que utiliza una suave corriente eléctrica para forzar a las bacterias más cerca. Ellos vieron que las bacterias se concentró auto-organizarse en grandes "escuelas" que nadan en sincronía-enjambres de bacterias se mueven juntas, controlado por las simples leyes de la física.

En el estudio actual, los investigadores querían ver si la natación vigoroso que mezcla los productos químicos de manera uniforme en todo el fluido. "Ellos nadan tan rápido que no se encontraron gradientes importantes de cualquier sustancia química, excepto el oxígeno", dijo Aronson.

Y un poco de oxígeno mezclado se produjo: la bacteria mejora la difusión de 100 veces.

Una segunda sorpresa se produjo cuando los investigadores empezaron a medir la viscosidad del fluido en el que las bacterias nadaban. Viscosidad mide la facilidad un flujo de fluidos, por ejemplo, la miel tiene una viscosidad alta que el agua.

La adición de más materia a un líquido por lo general hace que sea más grueso o más viscoso-por ejemplo, la adición de agua produce la suciedad de barro lento y viscoso. Así que la sabiduría convencional sugiere que la adición de grandes cantidades de bacterias que el líquido aumentaría su viscosidad.

"Pero para nuestra sorpresa, el líquido se convirtió en realidad mucho menos viscoso-por un factor de siete", dijo Aronson. Miles de pequeños motores alimentar a las bacterias en realidad ayudan a que el líquido fluya.

Aronson cree que las bacterias podrían ser reclutados como pequeñas micro-motores para una serie de aplicaciones futuras. Por ejemplo, mezcladoras bacteriana podría combinar pequeñas cantidades de fluidos para las pruebas y muestras. El más pequeño de una muestra, más difícil se vuelve a mezclar, tratar de combinar las muestras pequeñas es difícil por esta razón. Para portátil de pequeño tamaño, sobre la marcha, kits de análisis médicos, que necesitan para mezclar pequeñas cantidades de productos químicos, una pizca de bacterias podría ser la solución mágica.

Dos artículos se hace referencia en este artículo. El papel de la "inestabilidad mejorada de mezcla y concentración espacial de las suspensiones bacterianas", fue publicado en Physical Review E, y está disponible en línea. El segundo documento, "la reducción de la viscosidad de la suspensión de bacterias nadar", fue publicado en Physical Review Letters y está disponible en línea.

Los fondos para esta investigación fue proporcionado por el Departamento de Energía de la Oficina de Ciencias Básicas.

Laboratorio Nacional de Argonne busca soluciones a los acuciantes problemas nacionales en ciencia y tecnología. El primer laboratorio nacional de la nación, Argonne conduce la investigación de vanguardia científica básica y aplicada en prácticamente todas las disciplinas científicas. Los investigadores de Argonne trabajan de cerca con investigadores de cientos de empresas, universidades y agencias federales, estatales y municipales para ayudarles a resolver sus problemas específicos, promover el liderazgo de Estados Unidos s científicos y preparar a la nación por un futuro mejor. Con los empleados de más de 60 naciones, Argonne es manejado por UChicago Argonne, LLC para el Departamento de EE.UU. de la Oficina de Energía de la Ciencia.

Last Update: 4. October 2011 19:13

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