Explotan el movimiento aleatorio de bacterias para conseguir movimiento neto en una dirección dada.
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Hace no tanto tiempo se ataban los burros a las norias para poder extraer agua de los pozos. Los pobres animales daban vueltas y vueltas mientras que el preciado líquido se derramaba en la tierra para regar las huertas. Este método fue introducido por los musulmanes cuando invadieron la península ibérica, pero, al menos en España, ya no quedan norias de este tipo en funcionamiento, aunque todavía quede alguna en estado ruinoso.
¿Se podría hacer lo mismo a escala microscópica usando un microbio en lugar de un burro? Pues parece ser que sí es posible. A diferencia del burro que se le puede obligar a girar en un sentido concreto, a la bacteria E. coli no se la puede arrear ni atar tan fácilmente. En su lugar quizás nos podemos valer del movimiento aleatorio de ésta para obtener un movimiento neto en un sentido concreto.
La idea que tuvo un grupo italiano de investigadores fue usar una rueda dentada microscópica de tipo trinquete alrededor de la cual bacterias E. coli podían nadar libremente. Según ellos este tipo de dispositivos podrían usarse para proporcionar energía a micromáquinas o (en un ataque de optimismo) como fuente macroscópica de energía.
Las bacterias nadan a través de los fluidos gracias al uso de unos elementos rotatorios embebidos en sus paredes celulares. Estos “motores” mueven unos filamentos en forma de hélices que pueden girar en ambos sentidos. Algunos investigadores han usado este movimiento en el pasado para impulsar microestructuras, pero como las bacterias se mueven al azar es muy difícil de controlar su movimiento sin añadir productos químicos.
Ahora, Roberto Di Leonardo y sus colaboradores de la Universidad La Sapienza de Roma han mostrado cómo explotar el movimiento aleatorio de bacterias E. coli sin intentar controlar las propias bacterias. Para ello explotan el hecho de que una colección de bacterias inmersas en un líquido representa un sistema fuera del equilibrio termodinámico. Este sistema fuera del equilibrio, dicen, debe proporcionar un movimiento ordenado sobre un objeto asimétrico, en contraste con el movimiento browniano generado por moléculas en equilibrio termodinámico, como el sufrido por granos de polen suspendidos en agua.
Así que se pusieron manos a la obra y mediante fotolitografía construyeron ruedas dentadas de tipo trinquete (con dientes asimétricos) de 48 micras de anchura y 10 micras de grosor a partir del polímero SU8. Depositaron estas ruedas en la superficie de una lámina de vidrio sobre la que vertieron una suspensión líquida de E. coli, permitiendo que las ruedas acumularan una interfase liquido-aire para que así se impidiera que las fuerzas de capilaridad produjeran una fuerte adhesión entre las dos superficies (la de la rueda y la de la lámina de vidrio).
Los investigadores observaron entonces lo que pasaba, y pudieron comprobar que la forma asimétrica de los dientes de la rueda favorecían el movimiento de la rueda en una dirección cuando las bacterias chocaban reiteradamente con ese obstáculo (ver foto). Filmando lo que ocurría pudieron medir la velocidad de giro, que era de 1 revolución por minuto en promedio, valor que encaja con las simulaciones numéricas que habían hecho previamente.
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Según Di Leonardo, el rendimiento de este tipo de dispositivo se puede incrementar tremendamente. Hace notar que la velocidad lineal en el borde es de 2,5 micras por segundo mientras que las bacteria nadan a unas 20 micras por segundo. Cree que jugando con la forma de los dientes y usando otro tipo de bacterias o concentraciones bacterianas se podría aumentar el rendimiento. Esto es algo que esperan poder investigar en el futuro.
Este grupo de investigadores cree que es posible crear una nueva tecnología micromecánica basada en este tipo idea. Según ellos se podrían crear micrormáquinas pasivas que fueran alimentadas mediante su simple inmersión en un líquido con microorganismos y sin necesidad de aplicar un campo eléctrico o magnético externo que les proporcione energía para su funcionamiento. En el fondo toda la idea se basa en la conversión de energía química (las sustancias metabolizadas por las bacterias) en energía mecánica.
La aplicación práctica está por ver, pero al menos la idea es interesante. Sobre todo ilustra la gran diferencia que puede haber entre sistemas fuera del equilibrio termodinámico de los que sí lo están. Al fin y al cabo estas bacterias no son diablillos de Maxwell.
Fuentes y referencias:
Noticia en Physicsworld. [1]
Copia artículo original. [2]