De lourds micronageurs métalliques, faits de rhodium (violet) et d’or, nagent dans une solution liquide. Lorsqu’il est confronté à un mur en pente, chaque nageur en forme de tige réoriente son corps vers le haut en raison de son déséquilibre de densité et nage comme un grimpeur contre la gravité. Un effet hydrodynamique permet d’amplifier l’action dans sa réorientation. Crédit: Image reproduite avec l’aimable autorisation de Jun Zhang, du Courant Institute de NYU et du département de physique de NYU
Une équipe de scientifiques a découvert comment des objets lourds et motorisés gravissent des pentes raides – un mécanisme récemment découvert qui imite également la façon dont les grimpeurs naviguent sur les pentes.
Les résultats, publiés dans la revue Matière molle, découlent d’une série d’expériences dans lesquelles des objets motorisés ont été placés dans un liquide puis déplacés sur des surfaces inclinées.
“Ces” micro-nageurs ” sont environ 20 fois plus lourds que le fluide dans lequel ils nagent, mais ils ont pu gravir des pentes raides presque verticales”, explique Jun Zhang, l’un des auteurs de l’article et professeur de physique et de mathématiques à L’Université de New York‘s Courant Institute of Mathematical Sciences et NYU Shanghai.
Le travail améliore notre compréhension de la «gravitaxis» – mouvement directionnel en réponse à la gravité. Le phénomène est une considération vitale non seulement dans l’ingénierie, mais aussi dans la médecine et le développement pharmaceutique. Il explique, en partie, comment les bactéries se déplacent dans le corps et fournit des informations sur les moyens de créer des mécanismes d’administration de médicaments plus efficaces.
Dans le Matière molle recherche, les scientifiques ont créé des nageurs, ou nanotiges, dont la longueur est d’environ 1/40e de la largeur d’un cheveu humain. Ces nageurs motorisés étaient chargés de remonter une surface inclinée tout en étant immergés dans une solution liquide à l’intérieur d’un récipient à parois. Les nageurs étaient composés de deux types de métaux – l’or et le rhodium ainsi que l’or et le platine – une composition qui leur donnait des densités déséquilibrées compte tenu des poids variables de ces métaux.
La composition, l’environnement liquide et la juxtaposition des surfaces des nageurs leur permettaient de se déplacer vers le haut, malgré leur poids important.
“Ces moteurs se réorientent vers le haut contre la gravité grâce à leur déséquilibre de densité – un peu comme une balançoire se réoriente en réponse au mouvement et au poids de ses cavaliers”, ajoute Michael Shelley, professeur au Courant Institute et directeur du Flatiron Institute’s Center for Biologie computationnelle. « Un effet hydrodynamique amplifie ce mouvement : nager à côté d’un mur produit un couple plus important en repositionnant les corps des moteurs vers le haut. C’est important parce que le monde microscopique est bruyant – pour le moteur, il y a toujours deux pas vers le haut et un pas vers le bas – et le couple plus important améliore leur capacité à se déplacer verticalement.
Dans des travaux antérieurs, publiés dans Physical Review Letters, Zhang, Shelley et leurs collègues ont créé des « nano-moteurs » pour découvrir un moyen efficace de se déplacer à contre-courant. La nouvelle recherche développe ces résultats en révélant comment des objets lourds peuvent se déplacer sur des surfaces fortement inclinées, offrant la promesse de manœuvres encore plus sophistiquées.
« Maintenant que ces micro-nageurs sont capables de gravir des pentes très raides contre la gravité, nous pouvons envisager de développer des missions encore plus difficiles », observe Zhang. « Les futurs moteurs avancés seront conçus pour atteindre des emplacements ciblés et pour exécuter des fonctions désignées. »
Référence : « Metallic microswimmers driven up the wall bygravity » par Quentin Brosseau, Florencio Balboa Usabiaga, Enkeleida Lushi, Yang Wu, Leif Ristroph, Michael D. Ward, Michael J. Shelley et Jun Zhangaef, 11 juin 2021, Matière molle.
DOI : 10.1039 / D1SM00554E
Les autres co-auteurs de l’étude comprenaient Quentin Brosseau, chercheur postdoctoral au Courant Institute au moment de la recherche, Yang Wu, doctorant au département de chimie de NYU, Michael Ward, professeur au département de chimie de NYU, Leif Ristroph, professeur agrégé au Courant Institute, Florencio Balboa Usabiaga du Flatiron Institute et Enkeleida Lushi du Institut de technologie du New Jersey.
Ce travail a été soutenu par le programme MRSEC de la National Science Foundation (DMR-1420073) et également par les subventions NSF DMS-RTG-1646339, DMS-1463962 et DMS-1620331.
