«Мы изучили агрегацию и манипуляции с активным веществом — живыми бактериями или искусственными микропловцами — и областью истощения, окружающей их при вращении капель бактерий», — сказал Игорь Арансон, профессор кафедры биомедицинской инженерии, химии и математики Университета Хака, Пенн. Состояние. «Мы пытались понять, как образовалось кольцо истощения, но вместо этого обнаружили, что на более высоких скоростях, когда вращение прекращается, агрегированные бактерии взрываются, как новая звезда».Исследователи поместили на предметное стекло каплю, содержащую смесь вязкой жидкости и бактерий, и бросили на нее крошечную частицу никеля.
Затем предметное стекло переворачивали, и частица оседала на дно капли. Вращающееся магнитное поле, создаваемое четырьмя катушками, раскручивает частицу. Вращение заставляло бактерии собираться вместе вокруг вращающейся частицы никеля и под ней. Это также создало кольцо истощения вокруг бактерий, в котором было обнаружено мало бактерий, если они вообще были обнаружены.
Были видны вращающийся кластер бактерий и кольцо истощения.Предыдущие исследования использовали жидкость с меньшим количеством бактерий и вращали магнит всего на 2-20 Гц. Чтобы исследовать кольцо истощения, исследователи использовали в 100 раз больше бактерий и вращали магнит с частотой от 100 до 400 Гц. Система с этими новыми параметрами показала необычное и неожиданное поведение, сообщили исследователи в недавнем выпуске Nature Communications.
Такое поведение наблюдается только в активных материалах — живых бактериях или их синтетических аналогах.Такое поведение, хотя и интересно само по себе, может иметь последствия для вращающегося оборудования в средах, где легко образуются биопленки. «Мы часто думаем, что если что-то вращается очень быстро, бактериальной пленки не будет, потому что бактерии не могут осесть», — сказал Арансон. «Но это неправда. Такой вид бактериального накопления может быть хуже на вращающихся частях».
Другое возможное значение этого явления может заключаться в новых диагностических методах извлечения некоторых бактерий из суспензий.Используя как эксперименты, так и моделирование, исследователи обнаружили, что когда вращающаяся частица никеля заставляет бактерии агрегироваться до достаточно высокой плотности, происходят и другие вещи, которые вызывают то, что кажется взрывом, когда вращение останавливается.
«Мы провели анализ и обнаружили, что если бы аккреционный диск был идеально круглым, он просто расширился бы, когда вращение прекратилось», — сказал Арансон. «Но поскольку он не идеален, несовершенная область распространяется быстрее и быстрее удаляется от центра. Это делает бактериальное скопление нестабильным и кажется, что оно взрывается».Когда бактерии вращаются, они упорядочиваются, выстраиваясь параллельными потоками. Хотя при взгляде на то, что кажется плотным диском бактерий, движение жидкости само по себе более сложное.
Он вытекает на экваторе и входит на полюсах. Поскольку частица никеля, которая вызывает вращение, находится на дне капли жидкости, которая является барьером, а бактериальный диск вращается рядом с поверхностью капли, образуется зона застоя.
Как только вращение прекращается, зона застоя исчезает, а дефекты поверхности диска вызывают быстрое и неравномерное перемещение бактерий от источника вращения.Исследователи использовали математические модели и множество экспериментальных маркеров, чтобы увидеть поведение бактерий, включая томографию и флуоресценцию. Модель согласуется с экспериментальными данными.
«Поведение этих бактерий похоже на взрыв новой звезды», — сказал Арансон. «Конечно, когда взрывается сверхновая, физика совсем другая».Видео: https://www.youtube.com/watch?v=Tgdtu0EW79w