I ricercatori sviluppano un micronuotatore che sfida le leggi della fluidodinamica
I ricercatori della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), dell’Università di Liegi e dell’Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy hanno sviluppato un nuovo micronuotatore che sfida le leggi della fluidodinamica. Il nuotatore potrebbe avere applicazioni in settori come l’assistenza sanitaria, dove potrebbe essere utilizzato per trasportare farmaci attraverso il sangue.
Il modello del team consiste in due perline collegate da una molla lineare ed è azionato da oscillazioni completamente simmetriche. Secondo il teorema di Scallop, questo non dovrebbe essere possibile nei microsistemi fluidi.
I risultati dei ricercatori sono stati pubblicati su Physical Review Letters .
Capesante e il nuotatore
Le capesante nuotano nell’acqua battendo insieme i loro gusci, e mentre la capesante sta aprendo il suo guscio per il prossimo colpo, le sue grandi dimensioni lo spingono attraverso il momento d’inerzia. Il teorema di capesante, tuttavia, si applica più o meno a seconda della densità e della viscosità del fluido.
Secondo il teorema, un nuotatore che fa movimenti simmetrici o reciproci avanti e indietro, simili al modo in cui una capesante apre e chiude il suo guscio, probabilmente provocherà un movimento molto piccolo.
Il Dr. Maxime Hubert è un ricercatore post-dottorato nel gruppo del Prof. Dr. Ana-Suncana Smith presso l’Istituto di Fisica Teorica della FAU.
“Nuotare nell’acqua è difficile per gli organismi microscopici quanto lo sarebbe per gli umani nuotare nel catrame”, afferma il dott. Hubert. “Questo è il motivo per cui gli organismi unicellulari hanno mezzi di propulsione relativamente complessi come peli vibranti o flagelli rotanti”.
Il team della FAU ha collaborato con i ricercatori dell’Università di Liegi e dell’Helmholtz Institute Erlangen-Nürnberg for Renewable Energy per sviluppare un nuotatore simile che sembra non essere limitato dal teorema di capesante. Il modello abbastanza semplice funziona con una molla lineare che collega due perline di dimensioni diverse. Il micronuotatore è ancora in grado di muoversi attraverso il fluido quando la molla si espande e si contrae simmetricamente nell’inversione del tempo.
“Inizialmente abbiamo testato questo principio utilizzando simulazioni al computer”, afferma Maxime Hubert. ‘Abbiamo quindi costruito un modello funzionante.’
Il team ha testato il modello posizionando due sfere di acciaio, del diametro di poche centinaia di micrometri, sulla superficie dell’acqua all’interno di una capsula di Petri. La contrazione della molla era rappresentata dalla tensione superficiale dell’acqua e un campo magnetico veniva utilizzato per ottenere l’espansione nella direzione opposta. Questo sistema fa sì che le microsfere si respingano periodicamente l’una con l’altra.
Usi nel mondo reale
Il nuotatore ottiene l’autopropulsione grazie alle diverse dimensioni delle perline.
Secondo il Dr. Hubert, “Il tallone più piccolo reagisce molto più velocemente alla forza della molla rispetto al tallone più grande. Ciò provoca un movimento asimmetrico e il tallone più grande viene tirato insieme al tallone più piccolo. Utilizziamo quindi il principio di inerzia, con la differenza che qui si tratta dell’interazione tra i corpi piuttosto che dell’interazione tra i corpi e l’acqua”.
Sebbene il sistema non sia incredibilmente veloce, si sposta in avanti di circa un millesimo della sua lunghezza corporea durante ogni ciclo di oscillazione. Tuttavia, il fattore più impressionante e importante del nuovo sistema è la semplicità della sua costruzione e del meccanismo.
Il team afferma che un tale sistema potrebbe essere utilizzato per sviluppare minuscoli robot per il nuoto, che potrebbero avere molti usi nel mondo reale in settori come l’assistenza sanitaria. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per il trasporto di droga.
“Il principio che abbiamo scoperto potrebbe aiutarci a costruire piccoli robot nuotatori”, afferma il dott. Hubert. “Un giorno potrebbero essere usati per trasportare farmaci attraverso il sangue in un luogo preciso”.
