Учёные смоделировали микроскопическую «ветряную электростанцию» на бактериях

Учёные из Оксфордского университета показали, как естественное движение бактерий можно использовать для сборки и питания микроскопических «ветряных электростанций» или других искусственных микромашин, например, компонентов смартфонов.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, использует компьютерное моделирование, чтобы продемонстрировать: хаотичное роение плотной активной материи, такой как бактерии, можно организовать для вращения цилиндрических роторов и создания постоянного источника энергии.

По словам исследователей, эти биологически управляемые «электростанции» могут в будущем стать микроскопическими двигателями для крошечных искусственных устройств, которые самоорганизуются и питаются самостоятельно — от оптических переключателей до микрофонов смартфонов.

Соавтор работы доктор Тайлер Шендрук с кафедры физики Оксфордского университета сказал: «Многие энергетические задачи общества имеют гигаваттный масштаб, но некоторые — совершенно микроскопические. Один из потенциальных способов генерировать крошечные количества энергии для микромашин — получать её напрямую из биологических систем, таких как суспензии бактерий».

Плотные бактериальные суспензии — квинтэссенция активных жидкостей, которые текут спонтанно. Хотя плавающие бактерии способны к роению и созданию неорганизованных живых потоков, обычно они слишком хаотичны, чтобы извлечь из них полезную энергию.

Но когда команда из Оксфорда погрузила решётку из 64 симметричных микророторов в эту активную жидкость, учёные обнаружили, что бактерии спонтанно самоорганизовались таким образом, что соседние роторы начали вращаться в противоположных направлениях — простая структурная организация, напоминающая ветряную электростанцию.

Доктор Шендрук добавил: «Удивительно то, что нам не пришлось заранее проектировать микроскопические турбины в форме шестерёнок. Роторы просто самоорганизовались в своего рода бактериальную ветряную электростанцию. Когда мы провели моделирование с одним ротором в бактериальной турбулентности, его просто хаотично толкало. Но когда мы поместили массив роторов в живую жидкость, они внезапно образовали регулярный узор, где соседние роторы вращались в противоположных направлениях».

Соавтор работы доктор Амин Дустмохаммади с кафедры физики Оксфордского университета сказал: «Способность получать даже крошечное количество механической работы от этих биологических систем ценна, потому что им не требуется входная мощность, и для движения они используют внутренние биохимические процессы. В микроскопических масштабах наши симуляции показывают, что поток, генерируемый биологическими скоплениями, способен реорганизоваться таким образом, чтобы производить постоянную механическую мощность для вращения массива микророторов».

Старший автор, профессор Джулия Йоманс с кафедры физики Оксфордского университета, добавила: «Природа блестяще создаёт крошечные двигатели, и существует огромный потенциал, если мы сможем понять, как использовать аналогичные конструкции».