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Posted in | Nanofluidics

Gli organismi microscopici agitazione Fluidi Incredibilmente rapido ed efficace

Published on November 4, 2009 at 5:11 PM

Negli studi del moto dei batteri nuoto piccoli, gli scienziati del US Department of Energy Argonne National Laboratory ha scoperto che gli organismi microscopici possono mescolare i liquidi estremamente rapido ed efficace. Come risultato, i flagelli batterici potrebbero agire come minuscoli motori di miscelare sostanze chimiche nel kit biomedico, tra altre applicazioni.

Questa immagine mostra la distribuzione 3-D concentrazione di batteri nuoto Bacillus subtilis in film sottile di liquido ottenuto dalla tomografia a coerenza ottica.

Igor Aronson, uno scienziato Argonne materiali, e Andrey Sokolov, uno studente laureato ex l'Illinois Institute of Technology e ora ricercatore post-dottorato all'Università di Princeton, ammassati Bacillus batteri subtillis in film sottili di decodificare la fisica che governano come si muovono. I batteri, ognuno dotato di molti piccoli flagelli, o croce, girato avanti e indietro attraverso i film.

Circa cinque micron di lunghezza, i batteri normalmente nuotano circa 20 micron al secondo. Al sacco insieme, nuotare più velocemente-fino a 100 micron al secondo. "Scala a misura umana, è come la velocità di un treno", Aronson ha detto. "Sono come piccoli siluri".

Due meccanismi regolano i movimenti dei batteri nei film. Come gli esseri umani, B. subtillis bisogno di ossigeno per sopravvivere. In un film affollato, i livelli di ossigeno si esauriscono, l'invio di batteri nuotare fino alla superficie per una boccata di ossigeno e poi di nuovo giù di nuovo: un fenomeno chiamato bioconvection.

Movimento batterica è anche dettata da un principio chiamato trascinamento idrodinamica. I batteri che si incrociano tendono ad attrarre fisicamente tra loro, ed essi accoppiare fino a viaggiare in tandem attraverso il campo.

Sokolov e Aronson in precedenza aveva sviluppato una tecnica che chiamavano "folla batteri controllo", un metodo di concentrazione di batteri che utilizza una lieve corrente elettrica per costringere i batteri più vicini. Hanno visto che i batteri concentrato di auto-organizzarsi in grandi "scuole" che nuotano in sincronia-sciami di batteri si muovono insieme, controllati da semplici leggi della fisica.

In questo studio, i ricercatori hanno voluto vedere se il nuoto vigorosa sarebbe mix di prodotti chimici in modo uniforme in tutto il liquido. "Nuotano così velocemente che non abbiamo trovato pendenze significative di qualsiasi sostanza chimica ad eccezione dell'ossigeno", Aronson ha detto.

E alcuni di miscelazione di ossigeno si è verificato: i batteri migliorato la diffusione da parte di 100 volte.

Una seconda sorpresa è arrivata quando i ricercatori hanno cominciato a misurare la viscosità del fluido in cui nuotavano i batteri. Viscosità misura quanto facilmente un fluido, ad esempio, il miele ha una viscosità superiore a quella dell'acqua.

L'aggiunta di più la materia ad un fluido rende spesso più spessi o più viscosi, ad esempio, l'aggiunta di polvere di acqua produce pigro, fango viscoso. Quindi, la saggezza convenzionale suggerisce che l'aggiunta di un sacco di batteri al fluido aumenterebbe la sua viscosità.

"Ma con nostra grande sorpresa, il liquido in realtà è diventato molto meno viscoso di un fattore di sette anni," ha detto Aronson. Migliaia di minuscoli motori alimentare i batteri realmente aiutare il liquido di fluire.

Aronson pensa che i batteri possono essere reclutati come piccoli micro-motori per una serie di applicazioni future. Per esempio, miscelatori batterica potrebbe combinare piccole quantità di liquidi per i test e campioni. La più piccoli è un campione, tanto più difficile diventa per mixare, tentando di combinare piccoli campioni è difficile per questo motivo. Per le piccole, portatili on-the-go kit di test medici, che hanno bisogno di miscelare piccole quantità di sostanze chimiche, un pizzico di batteri potrebbe essere la bacchetta magica.

Due articoli si fa riferimento in questo articolo. L '"instabilità avanzata miscelazione e spaziale concentrata sospensioni batteriche" documento è stato pubblicato in Physical Review E ed è disponibile online. Il secondo articolo, "Riduzione della viscosità in sospensione di batteri nuoto", è stato pubblicato su Physical Review Letters ed è disponibile online.

Il finanziamento per questa ricerca è stato fornito dal Dipartimento di Ufficio Energia della Scienza di base.

Argonne National Laboratory cerca soluzioni ai pressanti problemi nazionali nel campo della scienza e della tecnologia. La nazione il primo National Laboratory, Argonne conduce all'avanguardia della ricerca scientifica di base e applicata in quasi ogni disciplina scientifica. Ricercatori di Argonne lavorare a stretto contatto con ricercatori provenienti da centinaia di aziende, università e federali, statali e municipali agenzie per aiutare a risolvere i loro problemi specifici, la leadership anticipo America 's scientifica e preparare la nazione per un futuro migliore. Con i dipendenti di oltre 60 nazioni, Argonne è gestito da UChicago Argonne, LLC per l'US Department of Energy Office of Science.

Last Update: 3. October 2011 22:00

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