Active Reinforcement of Jammed Emulsions by Living Microswimmers
Diese Studie zeigt, dass motile *Chlamydomonas reinhardtii*-Mikroschwimmer gequetschte Rizinusöl-in-Wasser-Emulsionen mechanisch verstärken, indem sie deren Fließgrenze durch eine Rückkopplungsschleife verdoppeln, in der die Einschränkung der Tröpfchen die Antriebskräfte der Schwimmer verstärkt und dadurch die Mikrostruktur durch aktivitätsinduzierte attraktive Wechselwirkungen versteift.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Die Physik der weichen Materie (Soft Matter Physics) erforscht die seltsame Zwischenwelt von Materialien, die weder fest noch flüssig sind, sondern etwas Fluides und dennoch Strukturiertes. Denken Sie an Mayonnaise, Zahnpasta oder eine dicke Farbe: Diese Substanzen fließen, wenn man kräftig an ihnen zieht, behalten aber ihre Form, wenn man sie in Ruhe lässt. Dieses Verhalten entsteht oft durch „Jamming“ (Verkeilung), einen Zustand, in dem winzige Partikel oder Tröpfchen so dicht gepackt sind, dass sie sich fest verkeilen und ein starres Netzwerk bilden. Wissenschaftler verstehen seit langem, wie dies mit einfachen, passiven Inhaltsstoffen geschieht, doch eine neue Grenze eröffnet sich durch das Hinzufügen von Leben zur Mischung. Die Frage ist nicht mehr nur, wie Partikel verkeilen, sondern was passiert, wenn diese Partikel mit winzigen, lebenden Schwimmern überfüllt sind, die ständig gegen ihre Nachbarn drücken und ziehen. Das Verständnis dieser Wechselwirkung könnte es eines Tages ermöglichen, Materialien zu entwerfen, die ihre Festigkeit oder Textur ändern, indem man einfach die Aktivität des mikroskopischen Lebens in ihnen an- oder ausschaltet.
In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchten Forscher der Universität Amsterdam genau dieses Szenario, indem sie eine dicke, ölige Mischung erstellten und diese mit lebenden Algen füllten. Sie begannen mit einer Emulsion aus Rizinusöltröpfchen, die in Wasser suspendiert waren – ein System, das von Natur aus zu einem starren, verkeilten Festkörper wird, wenn das Öl genügend Platz einnimmt. Diesem Gemisch fügten sie Chlamydomonas reinhardtii hinzu, eine einzellige Alge, die schwimmt, indem sie zwei winzige Geißeln schlägt. Das Team erstellte drei verschiedene Versionen dieser Mischung, um zu testen, was die Veränderungen in der Festigkeit des Materials tatsächlich antrieb. Die erste Version enthielt nur das Öl und das Wasser. Die zweite enthielt dasselbe Öl und Wasser, aber mit Algen, die abgetötet und immobilisiert worden waren, sodass sie unbeweglich wie winzige Steine dastanden. Die dritte Version enthielt die lebenden, schwimmenden Algen. Durch die sorgfältige Messung der Kraft, die erforderlich war, um jede Mischung zum Fließen zu bringen, entdeckten die Forscher, dass die lebenden Schwimmer das Material signifikant stärker machten und seinen Widerstand gegen das Fließen in einigen Fällen verdoppelten. Die toten Algen, die exakt an denselben Stellen saßen, machten fast keinen Unterschied. Dies bewies, dass die zusätzliche Festigkeit nicht dadurch entstand, dass die Algen lediglich Platz einnahmen, sondern durch die aktive Energie, die sie beim Schwimmen aufwendeten.
Der Schlüssel zu dieser Verstärkung liegt in der engen Quetschung, die die Algen erleben. Als die Forscher die Menge des Öls in der Mischung erhöhten, rückten die Tröpfchen näher zusammen, wodurch immer kleinere Lücken für die Algen zum Schwimmen blieben. Das Team nutzte ein Hochleistungsmikroskop, um die Bewegung einzelner Algen zu verfolgen, und fand heraus, dass die Algen, während die Lücken kleiner wurden, gezwungen waren, in immer kleineren Käfigen zu schwimmen, die von den umgebenden Öltröpfchen gebildet wurden. In diesen engen Räumen mussten die Algen stärker gegen die Wände ihres Käfigs drücken, um sich zu bewegen. Diese Einengung verstärkte die Kraft, die sie auf das umgebende Netzwerk ausübten. Die Forscher fanden heraus, dass je stärker die Einengung war, desto größer war die Kraft, die die Algen ausübten, was wiederum das gesamte Netzwerk aus Öltröpfchen steifer und schwerer aufzubrechen machte. Es ist eine sich selbst verstärkende Schleife: Die überfüllte Umgebung fängt die Schwimmer ein, das Eingesperrtsein lässt sie stärker drücken, und dieser zusätzliche Druck verriegelt das Material fester zusammen.
Diese Entdeckung stellt die Vorstellung infrage, dass das Hinzufügen lebender Dinge zu einer Mischung die Materie immer flüssiger macht. Während einige schwimmende Bakterien dafür bekannt sind, dicke Flüssigkeiten zu verdünnen, wirkten diese Algen, die mit ihren Geißeln am Wasser ziehen, dazu, die verklebelte Mischung zu versteifen. Die Studie legt nahe, dass die Algen eine Art unsichtbaren Kleber zwischen den Öltröpfchen erzeugen, der sie effektiv zusammenzieht und die gesamte Struktur widerstandsfähiger gegen das Aufbrechen macht. Die Forscher waren in der Lage, die beteiligten Kräfte abzuschätzen, indem sie beobachteten, wie sehr die Algen eingeengt wurden, und ihre Berechnungen stimmten mit der im Labor gemessenen zusätzlichen Festigkeit überein. Diese Arbeit identifiziert einen Rückkopplungsmechanismus, bei dem die Struktur des Materials das Verhalten der lebenden Schwimmer kontrolliert und die Schwimmer wiederum die Festigkeit des Materials kontrollieren. Dies öffnet die Tür zu einer neuen Art des Denkens über weiche Materialien, bei denen die mechanischen Eigenschaften einer Substanz einfach durch die Steuerung der Aktivität des mikroskopischen Lebens in ihr programmiert oder angepasst werden können.
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