Active Reinforcement of Jammed Emulsions by Living Microswimmers
Deze studie toont aan dat mobiele *Chlamydomonas reinhardtii*-microzwemmers vastgelopen castorolie-in-water-emulsies mechanisch versterken door hun vloeigrens te verdubbelen via een feedbacklus waarbij druppelbeperking de voortstuwingskrachten van de zwemmer versterkt, waardoor de microstructuur verstijft via activiteit-geïnduceerde aantrekkende interacties.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
De fysica van zachte materie onderzoekt de vreemde, tussenwereld van materialen die noch solide, noch vloeibaar zijn, maar iets dat zowel vloeibaar als gestructureerd is. Denk aan mayonaise, tandpasta of een dikke verf: deze stoffen stromen wanneer je er hard genoeg tegen duwt, maar behouden hun vorm wanneer ze met rust worden gelaten. Dit gedrag komt vaak voort uit "jamming" (verstopping), een toestand waarin minuscule deeltjes of druppeltjes zo dicht op elkaar gepakt zitten dat ze op hun plaats vergrendeld raken en een rigide netwerk vormen. Wetenschappers begrijpen al lang hoe dit gebeurt met eenvoudige, passieve ingrediënten, maar er opent zich een nieuwe grens door het leven toe te voegen aan de mix. De vraag is niet langer alleen hoe deeltjes verstoppen, maar wat er gebeurt wanneer die deeltjes overvol zijn met kleine, levende zwemmers die constant tegen hun buren duwen en trekken. Het begrijpen van deze interactie zou ons er ooit toe kunnen brengen om materialen te ontwerpen die hun sterkte of textuur veranderen simpelweg door de activiteit van het microscopische leven binnenin aan of uit te zetten.
In een recente studie onderzochten onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam precies dit scenario door een dik, olieachtig mengsel te maken en dit te vullen met levende algen. Ze begonnen met een emulsie van ricinusolie-druppeltjes gesuspendeerd in water, een systeem dat van nature een rigide, verstopt vaste stof wordt wanneer de olie voldoende ruimte inneemt. Aan dit mengsel voegden ze Chlamydomonas reinhardtii toe, een eencellige alg die zwemt door met twee kleine staartjes te slaan. Het team maakte drie verschillende versies van dit mengsel om te testen wat de veranderingen in de sterkte van het materiaal werkelijk veroorzaakte. De eerste versie bevatte alleen de olie en het water. De tweede bevatte dezelfde olie en het water, maar met algen die waren gedood en geïmmobiliseerd, zodat ze stillagen als kleine steentjes. De derde versie bevatte de levende, zwemmende algen. Door nauwkeurig te meten hoeveel kracht er nodig was om elk mengsel te laten stromen, ontdekten de onderzoekers dat de levende zwemmers het materiaal aanzienlijk sterker maakten, waarbij het de weerstand tegen stroming in sommige gevallen verdubbelde. De dode algen, die op exact dezelfde plekken zaten, maakten bijna geen enkel verschil. Dit bewees dat de extra sterkte niet kwam door de algen simpelweg ruimte te laten innemen, maar door de actieve energie die zij verbruikten terwijl ze zwommen.
De sleutel tot deze versterking ligt in de nauwe knevel die de algen ervaren. Terwijl de onderzoekers de hoeveelheid olie in het mengsel verhoogden, pakten de druppeltjes dichter op elkaar, waardoor er steeds kleinere openingen overbleven voor de algen om doorheen te zwemmen. Het team gebruikte een krachtige microscoop om de beweging van individuele algen te volgen en ontdekte dat naarmate de openingen kleiner werden, de algen gedwongen werden in steeds kleinere kooien gevormd door de omliggende oliedruppels. In deze nauwe ruimtes moesten de algen harder duwen tegen de wanden van hun kooi om te kunnen bewegen. Deze beperking versterkte de kracht die zij uitoefenden op het omliggende netwerk. De onderzoekers ontdekten dat hoe sterker de beperking, hoe groter de kracht die de algen uitoefenden, wat op zijn beurt het gehele netwerk van oliedruppels stijver en moeilijker te breken maakte. Het is een zelfversterkende lus: de overvolle omgeving vangt de zwemmers, het vangen zorgt ervoor dat ze harder duwen, en die extra duw vergrendelt het materiaal steviger.
Deze ontdekking daagt het idee uit dat het toevoegen van levende wezens aan een mengsel de vloeibaarheid altijd groter maakt. Terwijl sommige zwemmende bacteriën erom bekend staan dat ze dikke vloeistoffen dunner maken, werkten deze algen, die met hun staartjes aan het water trekken, juist mee aan het verstijven van het verstoppende mengsel. De studie suggereert dat de algen een soort onzichtbare lijm tussen de oliedruppels creëren, waardoor ze de druppels effectief naar elkaar toe trekken en de hele structuur beter bestand maakt tegen breken. De onderzoekers waren in staat de betrokken krachten te schatten door te kijken naar de mate waarin de algen werden beperkt, en hun berekeningen kwamen overeen met de extra sterkte die ze in het laboratorium maten. Dit werk identificeert een feedbackmechanisme waarbij de structuur van het materiaal het gedrag van de levende zwemmers controleert, en de zwemmers op hun beurt de sterkte van het materiaal controleren. Het opent de deur naar een nieuwe manier van denken over zachte materialen, waarbij de mechanische eigenschappen van een substantie kunnen worden geprogrammeerd of afgesteld door simpelweg het beheer van de activiteit van het microscopische leven daarin.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.