物理の先生の想像の外では、摩擦のない装置というのはなかなか出てきません。 しかし、一滴の水の中にたくさんの泳ぐバクテリアを入れると、運動抵抗ゼロの流体ができあがります。 信じられないことに、この抵抗（正しくは粘性）はマイナスになることさえあり、熱力学の法則に反するような方法でモーターを回すような自走する液体を作り出すことができるのである。

「通常の流体では、全体が不安定になるので不可能です」と、イギリスのブリストル大学の物理学者で、新しい研究の 1 つの共著者である Aurore Loisy 氏は語ります。 1860 年代、ジェームズ・マクスウェルは、高速の空気分子を部屋の一方に、低速の分子をもう一方に移動させ、エンジンに動力を与えることができる温度差を作り出すことができる全知全能の悪魔を思い浮かべました。 1962年には、リチャード・ファインマンが、空気の分子に揺さぶられて一方向にしか回転しない微小な歯車を発明し、モーターを駆動することを発表している。 しかし、このようなアイデアは、熱力学の第二法則によって打ち砕かれる。熱力学の第二法則は、仕分けや回転が熱を発生させなければならないと主張しており、どちらの方式も破滅を招くのである。 詩人のアレン・ギンズバーグが言ったように、勝つことはできないし、収支を合わせることもできません。

最近、無料の昼食はテーブルから外れていますが、生きた流体を中心に構築されたシステムでは、安いおやつが実現可能かもしれないという証拠が増えつつあります。 2015年、フランスのチームが、大腸菌と水の溶液が不自然にぬるぬるすることを確認したときから、実験上の奇妙さが表面化し始めました。 2枚の小皿の間に液滴を挟み、一方の皿を一定の速度で滑らせるのに必要な力を記録したのだ。 通常、液体は浮遊粒子を含むとかき混ぜにくくなったり、粘性が高くなったりするが（水と泥の比較）、粒子が泳げるようになると、その逆が起こることがわかった。 大腸菌が約半分の体積の溶液では、プレートを動かすのに全く力が要らず、粘性がゼロであることがわかった。 中には、粘度がマイナスになる実験もあり、その場合は、プレートの速度が速くならないように、少し力を加えなければならなかった。 その結果、生物は溶液の内部摩擦を中和して、抵抗ゼロの液体である超流体のようなものを生成する方法で泳いでいたことがわかりました。

「個々のバクテリアは非常に弱いですが、数の力があります」と、マサチューセッツ工科大学の数学者で、この実験に関与していない Jörn Dunkel 氏は述べています。 7 月に米国科学アカデミー紀要で発表された研究によると、その答えの 1 つは、個体間の相互作用です。

「高密度であると、群れをなし始めます」と、ミネソタ大学の物理学者で論文の共著者である Xiang Cheng 氏は述べています。 しかし、魚の群れや鳥の群れに見られるような群れとは異なり、大腸菌の群れは、純粋にその物理的特性によって駆動されており、アニメーション的な反応ではありません。 案の定、大腸菌のカクテルが体積比で10～20パーセントになると、渦巻きが形成されました。 これは、銀河系にたくさんの星があって、それらが互いに影響しあうのに似ています」と、Dunkel 氏は語りました。 これらの力は、泳いでいる大腸菌の局所的なグループに、錠剤状の体を整列させるよう促しました。

「せん断力がなければ、群れの方向はランダムです」とChengは言います。 「

一旦、プレートの影響によってバクテリアが平均的な配列に落ち着くと、その泳ぎは水を押し、溶液の大規模な特性を変化させる局所的な流れを発生させます。 研究者たちは、2015年の実験を記述する数学的枠組みを開発することを目指し、バクテリアの活動を考慮した新しい項で液晶に用いられる方程式を修正しました。

彼らの理論は、実験で見られた低粘度と負粘度を再現し、さらに、バクテリアはプレートの圧力下で複数の安定パターンに集合配向できることが予測されました。

「実際には、2つの可能な状態、2つの可能な平衡解があることがわかります」とLoisyは語りました。 紙が曲がると、C字かS字のどちらかの形に折れます。 紙が曲がると、C型かS型のどちらかに折れ曲がり、離すまでその形状が変わることはない。 Cheng氏の研究も、2つの大規模な配向を示唆していますが、彼は、両方の配向が異なる細菌群に同時に存在し、観察された挙動は平均的なものであると予想しています。

これらの効果が集団的超流動挙動にどう寄与しているかの詳細はまだ解明されていませんが、ミクロから可視へのエネルギー移動が本物であり特殊であることに異議を唱える人は誰もいません。 しかし、バクテリアのエネルギーを使えば、どうやらできるようです。

「正しいセットアップで十分なバクテリアを持っていれば、実際に構造を動かすことができます」とDunkel氏は言い、タービンを回すためにプレートの動きを利用するという、心ときめく可能性を提起しています。

バクテリアの速度で非常に小さなモーターを駆動することに加えて、パリ南大学の物理学者で 2015 年の論文の共著者である Harold Auradou によれば、地下水路に浸透して石油や汚染物質を強制排出できる「スマート液体」なども、その他の潜在的な応用例として挙げられます。

もちろん、どう考えても、熱力学の法則は完全に有効なままです。

「ここでは何も魔法を使っていません」とロイジーは言います。

悪魔やマイクロギアが成功しない場所で、細菌ソリューションに2つの要因を成功させることができました。 まず、大腸菌は小さなエンジンとして機能し、水中の糖と酸素からエネルギーを代謝します。 大腸菌を動かすために、研究者たちは栄養のバランスに細心の注意を払う。 少なすぎると飢えてしまう。

「人間と同じですね」とチェンは笑って言いました。

しかし、世界中のすべてのエネルギーは、それがあまりにもスムーズに分配されたり、あまりにも無秩序であれば役に立ちません。 ある場所から別の場所へエネルギーを誘導するために、システムには非対称性が必要なのです。 例えば、熱機関には高温の流体と低温の流体が必要ですし、水力発電のタービンには高いところから低いところへ流れる水が必要です。 バクテリアの場合は、水中の力に反応する細長い形状に起因します。

「ただ、整列するという事実、つまり好ましい方向があるという事実は、対称性を破ります」と、ロイジーは語りました。 「もし球体であれば、それは機能しないでしょう」

この記事は Investigacionyciencia.es.

のスペイン語版として転載されました。