اشیاء میکروسکوپیکی که قادرند خودشان را در سیالات به جلو برانند، استفاده‌های بسیاری، همچون تحویل هدفدار داروها در جریان خون، دارند. پیشنهاد جدید نشان می‌دهد که یک ساختار ساده و ویژه قادر است خودش را در درون سیال به پیش براند؛ کره‌ای توخالی که مکرراً مچاله شده و خودش را تحت فشار بازیابی می‌کند. پژوهش‌گران این اثر را برای یک پوسته‌ی کشسان بزرگ نشان داده‌ و پیشنهاداتی برای مینیاتورسازی آن‌ها داده‌اند.

یک شناگر مکانیکی باید مجموعه‌ای دوره‌ای از تغییرات شکل را تحمل می‌کند تا به طریقی یک نیروی خالص را به وجود آورد. برای اشیاء بزرگ، حرکت خالص می‌تواند با ایجاد ضربه‌ی روبه جلویی سریعتر از ضربه‌ی روبه عقب ایجاد شود، اما این عمل برای اشیاء میکروسکوپیکی که آب را به عنوان مایعی با ویسکوزیته‌ی بالا تجربه می‌کنند، کارساز نیست. برای یک شناگر کوچک، این حرکت معکوس جابجایی مساوی و مخالفی، بدون توجه به سرعت تغییر حالت، را ایجاد می‌کند. نتیجه آن‌که شناگر قادر نخواهد بود تا به جایی برود.

به گفته‌ی گونو کوپی‌یر (Gwennou Coupier) از دانشگاه گرنوبل آلپ و مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS): «یک گوش‌ماهی کوچک و ساده که بتواند تنها پوسته‌‌اش را باز یا بسته کند قادر به شناکردن نیست حتی اگر پوسته‌ی بسیار سریع‌تر از باز شدنش بسته شود. بنابراین قطعات شناگر میکروسکوپیکی عموماً حداقل به دو درجه‌ی آزادی نیاز دارند مثل دو جهتی که در آن تغییر شکل دهند؛ چیزی که سبب می‌شود تا کنترل آن‌ها به شکل بالقوه‌ای پیچیده‌تر شود.

اما کوپی‌یر و همکارانش دریافته‌اند که اگر نیمه‌ی دوم چرخه دقیقا معکوس نیمه‌ی اولش نباشد، این محدودیت را می‌توان رفع کرد؛ چیزی که آن‌ها برای مورد ساده‌ی یک پوسته‌ی کروی کشسان بدست آورده‌اند. اگر فشار بیرونِ پوسته بیشتر از درون آن باشد، پوسته به شکل کاسه فرورفتگی می‌یابد. اما پژوهش‌گران نشان داده‌اند که این فرورفتگی شامل جمله‌ی اندک‌مختلفی از شکل‌هاست که به پوسته این امکان را می‌دهد تا رانش خالصی را تولید کند. بنابراین این شناگری تنها با یک تک‌پارامتر قابل کنترل است: اختلاف فشار بین درون و بیرون پوسته.

کوپی‌یر و همکارانش اثبات کرده‌اند که این نیروی محرکه‌ی لاستیک‌مانندِ (الاستومریک) بالن کروی به پهنای ۵ سانتی‌متر به یک پشتیبان متکی است و با یک پمپ هوا متورم می‌شود و از تورم در می‌آید. وقتی این پوسته در آب غوطه‌ور می‌شود، چرخه‌ی تورم-افتِ تورمِ کره یک جابجایی تقریباً در حدود ۷/۰ میلی‌متر ایجاد می‌کند و وقتی ویسکوزیته‌ی سیال ۱۰۰۰۰ برابر بیشتر از آب باشد، این جابجایی به ۴/۱ میلی‌متر می‌رسد. برای ویسکوزیته‌های بیشتر از آن کشش‌هایِ در خلاف جهت در طول تورم و افت تورم تا حد زیادی هم‌دیگر را خنثی می‌کنند.

با این حال، وضعیت در ویسکوزیته‌های بالا و پایین باهم یکی نیست. در درون آب این کره با مکش سیال به درون گودی با نیروی اندکی بیش‌تر از آنچه برای هل دادن آن استفاده می‌شود، به جلو حرکت می‌کند. اما در ویسکوزیته‌های بالا، نیروی پیشران از اصطکاکِ سطح پوسته ناشی می‌شود؛ وقتی که برخلاف محیط پیرامونی کشیده می‌شود. به بیان کوپی‌یر: «این شبیه آن است که شما در یک لوله‌ی باریک میخزید: شما با استفاده از اصطکاک دست‌ها و پاهایتان بر روی دیواره حرکت می‌کنید».

این مورد آخر (رژیم ویسکوز) شرایط کره‌ای ۱۰۰۰ برابر کوچک‌تر را که در آب شناور است تقلید می‌کند که در آن اثرات ویسکوزیته بزرگ‌تر است. یک راه برای کنترل تغییر شکل‌ها تغییر فشار خارجی خواهد بود. برای مثال با گذردادن امواج مافوق صوتی از سیال.

هوارد استون (Howard Stone) از دانشگاه پرینستون که متخصص مکانیک سیالات است می‌گوید که  شواهدی که بر وجود نیروی پیشران در این سیستم‌های کروی وجود دارد، جدید و متقاعدکننده هستند. به گفته‌ی وی: «می‌توانم بعضی از انتقال‌های جهت‌دار را فرض کنم که در آن حباب‌های کوچک را تزریق کرده (مثل وقتی که دارو در پوسته‌ها گنجانده شده‌اند) و سپس جهت آن‌ها را به سمت مسیری با یک منبع فشار خارجی (صوت) هدایت می‌کنید».

اینکه این سیستم‌ها بهتر از میکروذرات (که با مکانیزم‌های دیگر حرکت می‌کنند) به پیش رانده می‌شوند یا نه بعداً معلوم خواهد شد؛ سیستم‌هایی مثل تغییرات دمایی یا تولید شیمیایی گاز از یک طرف که قبلاً برای تحویل هدفدار داروها استفاده شده است [1]. رامین گلستانیان، فیزیک‌دان ماده‌چگال نرم از دانشگاه آکسفورد در انگلستان می‌گوید که استدلال ساده‌ی کاهش مقیاس ممکن است کارساز نباشد. چون ذرات توخالیِ بسیار کوچک افت‌وخیرهای دمایی را تجربه می‌کنند که ممکن است خم‌شدگی‌های کمتری را ایجاد کرده و نیروی پیشران را نابود سازند.

اما کوپی‌یر می‌گوید که او و همکارانش اکنون در حال توسعه‌ی این رهیافت به مقیاس‌های میکروسکوپیکی هستند که با استفاده از «حباب‌های کپسوله‌شده» و پوسته‌های الاستیک سفارشی انجام خواهند شد. به گفته‌ی وی اگر چنان سیستمی بتواند کپسول‌های پر از دارو را به سوی هدفشان هدایت کند، می‌توان آن‌ها را با امواج مافوق صوتی با شدت بیشتر منفجر ساخت.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.  

درباره‌ی نویسنده:

فیلیپ بال نویسنده‌ی آزاد علمی در لندن است.

مرجع:

1.     A. Joseph et al., “Chemotactic Synthetic Vesicles: Design and Applications in Blood-Brain Barrier Crossing,” Sci. Adv. 3, e1700362 (2017).

منبع:

Elastic Spherical Shell Can Swim