L'économie de carburant d'un micro-nageur
La consommation de carburant d'un micro-nageur peut désormais être déterminée plus facilement. Les scientifiques du département de Physique de la Matière Vivante (LMP) à l'Institut Max Planck de Dynamique et d'Auto-Organisation (MPI-DS) ont développé un théorème général permettant de calculer l'énergie minimale requise pour la propulsion. Ces découvertes offrent une compréhension approfondie en vue d'applications pratiques, telles que le transport ciblé de molécules et de substrats.
L'une des propriétés les plus importantes d'un véhicule, qu'il s'agisse d'une voiture, d'un avion ou d'un navire, est sa consommation de carburant pour parcourir une certaine distance à une vitesse donnée. Dans le monde microscopique, il existe de petits objets capables de s'auto-propulser dans un environnement fluide. Ces micro-nageurs, appelés ainsi, comprennent les bactéries et autres micro-organismes qui se déplacent à l'aide de cils cellulaires ou de flagelles, ainsi que des objets fabriqués artificiellement aux laboratoires. Alors que les microbes biologiques ont évolué pour nager efficacement, la compréhension des mécanismes de l'auto-propulsion est nécessaire pour concevoir également des micro-nageurs artificiels efficaces.
Une nouvelle approche pour décrire le mouvement des micro-nageurs
Alors que de nombreux modèles considéraient jusqu'à présent les micro-nageurs comme s'ils étaient tirés ou traînés par une force externe, le nouveau modèle se concentre sur l'énergie requise pour l'auto-propulsion du micro-nageur. "De nombreux problèmes d'optimisation qui nécessitaient autrefois l'utilisation d'ordinateurs peuvent maintenant être résolus avec un simple crayon et du papier", décrit Andrej Vilfan, chef de groupe au MPI-DS, le résultat du modèle. Les résultats peuvent également être utilisés pour déterminer la forme la plus efficace des micro-nageurs actifs. "Bien que, à première vue, les formes obtenues puissent nous sembler surprenantes, un examen plus approfondi montre qu'elles présentent en réalité de remarquables similitudes avec les formes que l'on trouve dans la nature", explique Vilfan.
Optimisation de la conception des micro-nageurs artificiels
Le modèle récemment proposé élucide la différence de production d'entropie entre les micro-nageurs actifs et les particules entraînées par des forces externes. À l'échelle microscopique, les effets entropiques jouent un rôle crucial dans le mouvement des particules. "Nos résultats ont donc un impact sur plusieurs domaines de recherche, tels que la microfluidique, la biophysique et la science des matériaux", résume Abdallah Daddi-Moussa-Ider, premier auteur de l'étude. Les micro-nageurs ont le potentiel de transporter des particules et des molécules, telles que des médicaments, de manière ciblée et dirigée. "Une compréhension approfondie des principes de mouvement des micro-nageurs ouvre ainsi de nombreuses possibilités d'innovation et d'applications pratiques", conclut Daddi-Moussa-Ider.