Физика

Согласно новым экспериментам [1], хаотическое движение набора активно движущихся молекулярных стержней можно использовать для вращения пропеллеров и вертушек миллиметрового размера. Движение стержня приводилось в движение молекулярными двигателями с химическим приводом, которые заставляли соседние стержни соединяться и тянуться друг за другом. Способность преобразовывать энергию этих микроскопических машин в крупномасштабное движение может в конечном итоге использоваться для привода небольших насосов, работающих без внешней энергии.

Активная материя — это совокупность объектов, которые могут двигаться самостоятельно посредством какого-то энергозатратного процесса. Его часто характеризуют способностью создавать порядок из беспорядка. Например, некоторые бактерии по отдельности не плавают в определенном направлении, но исследователи показали, что эти бактерии могут коллективно вращать микроскопическую шестерню, преимущественно натыкаясь на одну сторону зубьев шестерни [2].

Другие типы активной материи демонстрируют коллективное движение посредством выравнивания стержнеобразных элементов. Это так называемое активное нематическое поведение характерно для определенных типов биологических тканей, таких как слои удлиненных эпителиальных клеток (см. Краткий обзор: Расширяющиеся и сокращающиеся клетки). Активные элементы обычно совмещаются друг с другом, но их отдельные движения могут привести к появлению областей несоосности, называемых дефектами. Эти регионы формируются и перемещаются непредсказуемым образом. «Один из интригующих аспектов [активных нематиков] заключается в том, что мы можем использовать этот внутренне генерируемый хаос для создания некоего когерентного движения», — говорит Звонимир Догич из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Догич и его коллеги провели эксперимент с активным нематическим материалом, который сочетает в себе молекулярный моторный белок, называемый кинезином, со стержнеобразными биополимерами, называемыми микротрубочками. Внутри клеток микротрубочки действуют как магистрали, по которым молекулы кинезина тянут клеточный груз. В концентрированном супе микротрубочек молекула кинезина может захватить две соседние микротрубочки и заставить одну скользить мимо другой. Такое поведение приводит к двум типам дефектов в паттернах выравнивания: кометообразным «положительным» дефектам и треугольным «негативным» дефектам (где знак основан на ориентации микротрубочек вокруг дефекта).

Исследователи изучили движение этих двух типов дефектов в цилиндрическом резервуаре, где активный нематик был ограничен двумя измерениями границы раздела масло-вода. В тот же резервуар команда поместила плавающие объекты шириной в несколько сотен микрометров, имеющие различные формы, включая круг, звезду и вертушку. Активный нематик толкал симметричные объекты, такие как круг и звезда, но не вызывал суммарного вращения. Напротив, активный нематик заставлял вертушки вращаться со скоростью около 0,2 оборота в минуту.

Чтобы объяснить эти наблюдения, команда отследила движение дефектов в резервуаре, обнаружив неожиданную картину поведения вокруг вертушки: положительные дефекты обычно образовывались сразу за лопастями вертушки. Каждый вновь образовавшийся дефект следовал по одинаковой траектории: задевал связанное с ним лезвие, а затем выстреливал наружу — процесс, который вызывал образование нового дефекта позади лезвия. Эта циклическая закономерность создавала результирующую вращающую силу (крутящий момент) на вертушке. Средняя скорость лопаток на их кончиках составляла около 3 мкм/с, что составляло примерно половину средней скорости дефектов. Догич говорит, что это соотношение скоростей находится в том же общем диапазоне, что и у ветряных турбин, кончики которых могут двигаться со скоростью, в 7 раз превышающей среднюю скорость ветра (хотя геометрия иная).

Однако генерируемая энергия вращения была небольшой по сравнению с количеством химической энергии, которую сжигают молекулы кинезина. «Много энергии теряется, и не совсем понятно, где она теряется», — говорит Догич. Тем не менее, он предвидит потенциальное применение в микрофлюидике, поскольку активный нематик может генерировать чистый поток в канале, стенки которого покрыты лопастными выступами. Преимущество здесь будет в том, что перекачка будет самодостаточной – не потребуется подача внешней энергии, говорит Догич.