Sciencemag.cz
Related Articles
Bakterie tlačí kapalinu dozadu (push), řasy ji přitahují (pull), jak ukazuje obrázek. Po celá desetiletí byl „plavecký styl“ každého umělého „mikroplavce“ vyrobeného v laboratoři zafixován při výrobě. Fyzici z Lipské univerzity společně s kolegy z Univerzity Karlovy nyní vyvinuli syntetického mikroplavce, jehož plavecký styl neboli hydrodynamické chování lze libovolně měnit, zatímco částice pokračuje v plavání. Výsledky byly publikovány v časopise Nature Communications.
Mikroplavci jsou nepatrné částice typicky o velikosti pouhých několika mikrometrů, které se pohybují v kapalinách. Patří mezi ně jak živé mikroorganismy, tak uměle vytvořené částice. Při pohybu v kapalině vyvolávají kolem sebe charakteristické proudění, které zpětně určuje, jak plavci interagují se stěnami, s proudy v kapalině, i mezi sebou. Fyzici klasifikují plavce podle těchto charakteristických proudění: „pushers“, jako jsou bakterie E. coli, při plavání tlačí tekutinu dozadu, „pullers“, jako je zelená řasa Chlamydomonas, vtahují tekutinu zepředu, a neutrální plavci vytvářejí pouze slabé proudění. Dosud znamenal přechod od jednoho plaveckého stylu na druhý nutnost sestrojit jinou částici.
Tým z Lipska pod vedením prof. Franka Cichose odstranil toto omezení tím, že řídí proudění kolem mikroplavce pomocí světla. Jejich mikroplavci jsou průhledné kuličky o velikosti mikrometrů, na nichž jsou řídce rozmístěny zlaté částice o velikosti 10 nanometrů. Při osvětlení laserem, jehož paprsek je tvarován pomocí prostorového modulátoru světla, fungují zlaté nanočástice jako drobné a nezávislé zdroje tepla. Strukturovaným osvitem mikroplavce lze na jeho povrchu vytvořit libovolný teplotní profil. Tento teplotní vzorec pohání částici vpřed pomocí tzv. termoforézy a zároveň určuje proudění kapaliny v jejím okolí. Změna světelného vzoru pak mění proudění. Stejná částice přitom může v jednom okamžiku působit jako „pusher“ a v dalším jako „puller“. Pomocí dalších měření vědci potvrdili, že proudění kapaliny kolem částic odpovídá hydrodynamické teorii v celém rozsahu možných „plaveckých stylů“.
Který plavecký styl je nejvýhodnější?
Možnost měnit plavecký styl mikroplavce v reálném čase zároveň otevřela otázku, který styl je ten nejlepší. Jelikož lze přímo měřit optický výkon absorbovaný plavcem, fyzici mohli určit skutečné energetické náklady každého způsobu plavání, což u umělých plavců bylo dosud možné jen výjimečně.
„Učebnicová teorie předpovídá, že nejúčinnější jsou neutrální plavci, protože neplýtvají energií na míchání okolní tekutiny. Nám se však podařilo zjistit, že při stejné rychlosti plavání vyžaduje nejméně energie plavec typu ‚pusher‘. Důvodem je jednoduché omezení: laser může povrch částice zahřívat, ale nikdy chladit, díky čemuž je při dané intenzitě laseru nejúčinnější jiný plavecký styl, než který plyne z čisté hydrodynamické rozvahy. Nejlepší plavecká strategie závisí na fyzikálním mechanismu, který plavce pohání,“ říká Viktor Holubec z Univerzity Karlovy, který je spoluautorem studie.
Od řízení mikroplavců k regulaci proudění na mikroskopických škálách
Tato práce otevírá dveře k široké škále vzrušujících aplikací. Jelikož se dá plavecký styl měnit libovolně v čase, bude v budoucnosti možné řídit tuto změnu zpětnovazební smyčkou s případným využitím strojového učení tak, aby mikroplavec plaval optimálně v omezenému prostoru nebo časově proměnném prostředí. Nezávislé řízení několika mikroplavců umožní studium aktivních systémů složených z částic s libovolně nastavitelnými plaveckými styly, což vědcům poskytne univerzální experimentální platformu pro studium kolektivních jevů v aktivní hmotě, jako jsou bakteriální turbulence nebo rojení. To by bylo s konvenčními mikroplavci velmi obtížné.
V dlouhodobém horizontu by skupiny nezávisle řízených částic mohly být využity i ke kontrole proudění kapaliny v prostoru a v čase. Taková programovatelná proudění s řízenou mikroskopickou strukturou mají význam všude tam, kde je třeba kontrolovat míchání, transport nebo chemické reakce v nepatrných objemech, a jednoho dne by mohla přispět k vývoji adaptivních „mikroreaktorů“, jejichž proudové vzorce se přizpůsobují reakčním podmínkám. Tato práce tak posouvá výzkum mikroplavců od chování jednotlivých částic směrem k aktivnímu navrhování a kontrole hydrodynamických interakcí a polí pomocí světla.
Lisa Rohde, Gordei Anchutkin, Viktor Holubec & Frank Cichos, Programmable hydrodynamics of active particles, Nature Communications 17, 9406 (2026). DOI 10.1038/s41467–026–77281-x
