Konvenční kapaliny se pohybují pouze tehdy, když na ně působí vnější síly. Vědci se však už nějakou dobu pokoušejí najít „aktivní hmotu“, která spotřebovává energii a pohybuje se samovolně. Dřívější experimenty byly realizovány pouze v milimetrových nebo nejvýše centimetrových rozměrech, teď však američtí vědci vytvořili molekulární motory, které se dokáží pohybovat potrubím dlouhým kolem jednoho metru.
Možná jste se někdy podivovali nad tím, jak dokonale synchronizovaně se po obloze dokáže pohybovat hejno ptáků. Koordinovaný pohyb vychází z kolektivního rozhodnutí zúčastněných živočichů. Pták jedná podle rozhodnutí jedince letícího před ním tak, aby se minimalizoval aerodynamický odpor. Podobné chování je vlastní také dalším živočichům, a dokonce se vyskytuje i na buněčné a subbuněčné úrovni. Biofyzici si dlouho lámali hlavu nad tím, jak dokáží plovoucí mikroorganismy koordinovat pohyby svých „rukou“ (bičíků, flagella), když se prohánějí vodou. Holandští fyzici přišli se zjištěním, že jednobuněčná řasa Chlamydomonas reinhardtii synchronizuje své dva bičíky pomocí vnitřních vláken uvnitř buňky, a nikoliv interakcí s okolní kapalinou.
Mechanismy, které způsobují tyto druhy samoorganizace, vědci dosud nedokázali příliš dobře vysvětlit. Aby tuto otázku poněkud osvětlili, studovali fyzici z Massachusetts spolu s kolegy z Georgia Institute of Technology vlastnosti motorického proteinu kinezinu.
Kinezin byl nalezen v eukaryotických buňkách, jež se vyskytují v organismech, jejichž těla jsou složená z buněk s diferencovaným jádrem a s biomembránovými strukturami. Eukaryoty existují jako samostatné a jednobuněčné organismy (prvoci) nebo jako součást tkání mnohobuněčných organismů (živočichové včetně člověka, rostlin atd.). Kinezin se pohybuje podél mikrotubulu a energii, potřebnou pro tento pohyb, získává hydrolýzou adenosintrifosfátu (ATP).
Podle fyziků je kinezin nejjednodušší biologický stroj umožňující přeměnu chemické energie na mechanický pohyb. Fyzici rozpustili kinezin ve vodě obsahující vlákna (mikrotubuly) získaná ze zvířecí mozkové tkáně. Když doplnili ATP – chemické palivo, které používá i lidský organismus –, kinezin pohyboval mikrotubuly a vodu táhl s sebou prostřednictvím viskózních sil.
Experimenty zabývající se už v roce 2004 koncentrovanými bakteriálními roztoky, které publikovali fyzici z Cambridge, odhalily typické chování aktivních kapalin. Pozorovalo se totiž, že v objemu, který není ohraničen, se různé části kapaliny pohybují různými směry a vytvářejí turbulentní víry s charakteristickou velikostí, která závisí na druhu kapaliny. Pokud je však stejná kapalina uzavřena uvnitř určitého prostoru, může vznikat samoorganizovaný objemový pohyb na makroskopické úrovni.
Tyto experimenty, stejně jako teoretické simulace, prokázaly, že ohraničení musí mít co nejmenší rozměr tak, aby bylo menší než rozměr charakteristického víru v dané kapalině. V případě experimentů v Massachusetts to znamená kolem 100 mikrometrů. Zúčastnění fyzici byli však ohromeni, když pozorovali souvislé koherentní toky přetrvávající v kanálech různých tvarů, které byly více než milimetr silné a více než metr dlouhé. Podle nich je možno pokračovat dál a nikdo zatím neví, kde je horní hranice a jestli vůbec nějaká horní hranice existuje.
Fyzici zjistili, že bez ohledu na velikost je „aspect ratio“ prostoru, ve kterém je kapalina uzavřena, naprosto zásadní (pozn.: „aspect ratio“ geometrického tvaru je poměr jeho rozměrů v různých dimenzích, například „aspect ratio“ obdélníku je poměr jeho delší strany k té kratší, pokud je obdélník orientován vodorovně). Pokud je průřez kanálu přibližně třikrát širší, než je jeho výška, a naopak, tok začne být turbulentní. Důvod zatím zůstává v oblasti nezodpovězených hádanek. Nikdo nezná odpověď, nikdo dokonce dosud netušil, že by taková otázka mohla existovat. Podle vědců nepřišel tento problém na pořad dne dříve, protože „aspect ratio“ je ve své podstatě 3D problém. Velká většina experimentálních i teoretických prací byla posuzována jako 2D problémy a to znamená velké zjednodušení.
Tok aktivní kapaliny v různých prostorech (obrázek: Kun-Ta Wu et al)
Samoorganizovaný tok ve velkých rozměrech zatím nebyl objeven nikde v přírodě. Jeho praktické aplikace jsou velmi vzdálené částečně také proto, že syntetické molekulární motory jsou mnohem méně účinné než ty biologické, které byly použity ve zmíněných experimentech. Někteří fyzici však namítají, že podobně neexistovaly ani aplikace klasických rovnic hydrodynamiky, které Claude-Louis Navier a George Gabriel Stokes formulovali před 150 lety, a dnes se používají při konstrukci letadel.
Fyzikům a technikům se nyní rýsuje šance, že budou moct řídit tok kapaliny tak, aby byl turbulentní, nebo koherentní, pouhým přizpůsobením šířky a výšky kanálu. Tok by navíc mohl být řízen na dlouhou vzdálenost motorem o rozměrech pouhých nanometrů.
Původní práce byla uveřejněna v časopise Science.
Mohlo by vás zajímat:
Nejrychlejší
elektronický přepínač
Nový
materiál, který odolává vodě
Vědci
prokázali existenci nové kvazičástice
Vědci
vyvinuli metodu, jak těžit uran z mořské vody