Взвесь живых бактерий в вязкой жидкости не ведет себя должным образом при вращении на определенных скоростях, и теперь группа исследователей знает, почему скопление бактерий взрывается, когда вращение останавливается.
«Мы рассмотрели агрегацию и манипулирование активным веществом - живыми бактериями или искусственными микроплавателями - и областью истощения, окружающей их, когда капли бактерий вращаются», - сказал Игорь Арансон, профессор кафедры биомедицинской инженерии, химии и Математика, штат Пенсильвания.«Мы пытались понять, как образовалось кольцо истощения, но вместо этого обнаружили, что при более высоких скоростях, когда вращение прекращается, скопившиеся бактерии взрываются подобно новой звезде».
Исследователи поместили каплю, содержащую смесь вязкой жидкости и бактерий, на предметное стекло и капнули на нее крошечную частицу никеля. Затем предметное стекло переворачивали, и частица оседала на дно капли. Вращающееся магнитное поле, создаваемое четырьмя катушками, раскручивает частицу. Вращение заставило бактерии слипаться вокруг и под вращающейся частицей никеля. Это также создало кольцо истощения вокруг бактерий, в котором было обнаружено мало бактерий, если они вообще были обнаружены. Были видны вращающийся бактериальный кластер и кольцо истощения.
В предыдущем исследовании использовалась жидкость с меньшим количеством бактерий, а магнит вращался со скоростью всего от 2 до 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 продемонстрировала 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 интересное 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. Этот вид бактериального обрастания может быть хуже на вращающихся частях».
Другим возможным следствием этого явления могут быть новые диагностические методы извлечения нескольких бактерий из суспензий.
Используя как эксперименты, так и моделирование, исследователи обнаружили, что когда вращающаяся частица никеля заставляет бактерии агрегировать до достаточно высокой плотности, происходят и другие вещи, которые вызывают то, что кажется взрывом, когда вращение прекращается.
«Мы провели анализ и обнаружили, что если бы аккреционный диск был идеально круглым, он бы просто расширился, когда вращение остановилось», - сказал Арансон. «Но поскольку это не идеально, несовершенная область распространяется быстрее и быстрее удаляется от центра. Это делает скопление бактерий нестабильным, и кажется, что оно взрывается».
Когда бактерии вращаются, они становятся упорядоченными, выстраиваясь в параллельные потоки. Хотя, глядя вниз на то, что кажется плотным диском бактерий, само движение жидкости оказывается более сложным. Она вытекает на экваторе и входит на полюсах. Поскольку частица никеля, вызывающая вращение, покоится на дне капли жидкости, являющейся барьером, а бактериальный диск вращается рядом с поверхностью капли, образуется застойная зона. Как только вращение прекращается, застойная зона исчезает, а дефекты поверхности диска вызывают быстрое и неравномерное движение бактерий от источника вращения.
Исследователи использовали математические модели и различные экспериментальные маркеры, чтобы увидеть поведение бактерий, включая томографию и флуоресценцию. Модель согласовывалась с экспериментальными данными.
«Поведение этих бактерий похоже на взрыв звезды, превращающейся в новую», - сказал Арансон. «Конечно, когда взрывается сверхновая, физика совсем другая».
Видео: