科学家利用游动细菌浴来组装非常规材料

洗个热水澡是放松身心的好地方。对于科学家来说，它也是分子或微小构件相遇形成材料的地方。奥地利科学技术研究所(ISTA)的研究人员将其提升到了一个新的水平，利用游泳细菌的能量来锻造材料。发表在《自然物理学》上的一项研究展示了其工作原理以及这种创新方法可能带来的潜在可持续性效益。

你永远不知道什么时候你会想到令人眼花缭乱的想法。有时他们会从最意想不到的地方出现，比如维也纳的一家巨石健身房。ISTA的DanielGrober就是这样的例子，他是物理学家JérémiePalacci研究小组的研究生，一直致力于如何利用游动细菌的能量组装材料，而MehmetCanUçar是EdouardHannezo小组的博士后。在他们对科学和攀登的共同热情的推动下，讨论变成了格罗伯实验的纸笔模型。他们的概念吸引了AnđelaŠarić小组的博士后IvanPalaia，他决定加入该工作组。

该研究展示了一种用小构件制造材料的新颖实验策略。它利用游动细菌的活性，将冶金学(锻造的精美艺术，高温和缓慢冷却的循环设定材料的结构)的想法转化为软材料。

舞蹈聚合。该视频显示了聚合体的顺时针旋转及其对聚合的影响(左图：实验，右图：模拟)。图片来源：©PalacciGroup/《自然物理学》

什么是主动浴?

在奥地利科学技术研究所JérémiePalacci的研究小组中，一切都与微观粒子有关。“我们的工作围绕着比头发丝小一百倍的微型‘乐高’式积木展开。我们试图了解这些组件如何组合在一起并形成更大的结构，”他解释道。

通常，当这些构建块悬浮在水中时，它们会因温度而摇动，从而为颗粒随机来回跳跃提供能量。爱因斯坦于1905年首次合理化这种现象，称为布朗运动。

为了在混乱中引入秩序，在水中添加“活性剂”是有益的。这会产生所谓的“活性浴”，其中药剂的作用就像小火一样。原则上，利用这些额外的能量，你可以控制材料的组装和特性——就像铁匠锻造的方式一样。然而，到目前为止，还没有探索过使用细菌进行锻造等方法。

细菌——火

Palacci的学生DanielGrober接受了这一挑战，并开始建造这样一个具有冶金学特征的活性浴。

格罗伯说：“我们使用大肠杆菌作为活性剂，因为它们的游泳运动提供了能量和某种搅动——对于物理学家来说，‘温度’相当于2,000°C，类似于制造金属所需的温度。但是因为它是由细菌制成的，而且不是真正的烤箱，所以它足够温和，可以与凝胶和软材料一起使用，而不会燃烧它们。”这些构件是粘性胶体形式的微观颗粒——接触时会粘在一起的圆形珠子。

事实证明这个想法是成功的。游动的细菌有效地放大了珠子的运动，从而形成聚集体和凝胶状结构。

随着细菌的节拍起舞

此外，对这些新形成的星团的观察显示出一个有趣的奇点。在任何时候，聚合体都顺时针旋转，但速度非常慢。

为了阐明这一观察结果，格罗伯对系统的运动进行了统计分析。他证实了聚集体缓慢而持续的旋转，这种旋转源于大肠杆菌鞭毛的顺时针旋转(手性)——推动细菌运动的微小附属物。这位科学家怀疑旋转运动在形成他所观察到的非常规结构方面发挥了关键作用。

在每周一次的实验室会议上展示他的工作引起了他的同事伊万·帕莱亚(IvanPalaia)的兴趣，这导致了对这一现象的理解。帕莱亚提出了一个最小的计算模型，可以在不模拟游动细菌的情况下捕获细菌浴的手性。

首先通过定量再现实验结果来验证计算机模拟，然后再提供对该机制的更深入理解。该模型通过形成具有传统方法无法实现的奇异机械性能的非凡结构，证实了旋转在凝胶成型中的显着作用。

未来还会有更多

利用细菌浴来组装非常规材料具有广阔的前景。例如，尽管该研究仅限于微米级的二维结构，但该方法的设计考虑了其在放大方面的潜力。

Palacci补充道：“通过这种创新方法，理论上可以构建出足够大到可以握在手掌中的3D样本。”这一进步还可以通过利用细菌的能量而不是依赖外部能源来增强材料生产的可持续性。

最后，这项研究作为概念验证，为Palacci名为“VULCAN：由内部提供动力的物质”的项目奠定了基础，并再次强调了科学领域跨学科合作推动创新的重要性。Palacci总结道：“如果没有ISTA推动的协作工作，该项目永远不会达到如此概念和定量的深度。”