Niet in de verbeelding van natuurkundeleraren, wrijvingsloze apparaten zijn moeilijk te krijgen. Maar door een groep zwemmende bacteriën in een druppel water te stoppen, wordt precies dat bereikt: een vloeistof zonder weerstand tegen beweging. Ongelooflijk genoeg kan die weerstand (of viscositeit, zoals het netjes heet) zelfs negatief worden, waardoor een zichzelf voortstuwende vloeistof ontstaat die bijvoorbeeld een motor kan laten draaien op een manier die de wetten van de thermodynamica lijkt te tarten. Recent werk legt uit hoe bacteriën samenspannen om het onwaarschijnlijke voor elkaar te krijgen.

“Voor een normale vloeistof is het onmogelijk omdat de hele zaak instabiel zou zijn,” zei Aurore Loisy, een natuurkundige aan de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk en een co-auteur van een van de nieuwe studies, “maar voor bacteriën werkt het op de een of andere manier.”

Fysici hebben er lang van gedroomd om iets voor niets te krijgen, al was het maar in bizarre gedachte-experimenten. In de jaren 1860 toverde James Maxwell een alwetende demon tevoorschijn die snelle luchtmoleculen naar de ene kant van een kamer kon sturen en langzame moleculen naar de andere, waardoor een temperatuurverschil ontstond dat een motor kon aandrijven. Richard Feynman hield in 1962 een lezing over een microscopisch tandwiel dat, wanneer het door luchtmoleculen in beweging werd gebracht, slechts in één richting zou draaien en zo een motor zou aandrijven. Maar dergelijke ideeën worden onderuitgehaald door de tweede wet van de thermodynamica, die eist dat het sorteren of het draaien warmte moet voortbrengen die beide plannen de das omdoet. Zoals de dichter Allen Ginsberg het uitdrukte: je kunt niet winnen, en je kunt niet quitte spelen.

Nu is er steeds meer bewijs dat, terwijl een gratis lunch van tafel is, een goedkope snack haalbaar zou kunnen zijn met een systeem gebouwd rond een levende vloeistof. Experimentele eigenaardigheden begonnen op te duiken in 2015 toen een Frans team bevestigde dat oplossingen van E. coli en water onnatuurlijk glad konden worden. Door een druppel tussen twee kleine platen te schuiven, registreerden ze de kracht die nodig was om één plaat met een bepaalde snelheid te laten glijden. Vloeistoffen worden meestal moeilijker te roeren, of viskeuzer, wanneer ze extra zwevende deeltjes bevatten (denk aan water vs. modder), maar het omgekeerde blijkt waar te zijn wanneer de deeltjes kunnen zwemmen. Wanneer de oplossing ongeveer een half volumepercentage E. coli bevatte, was er helemaal geen kracht nodig om de plaat in beweging te houden, wat wijst op geen viscositeit. Bij sommige proeven was de viscositeit zelfs negatief, wanneer de onderzoekers een beetje kracht moesten uitoefenen om te voorkomen dat de plaatjes sneller gingen bewegen. De vloeistof verrichtte arbeid, wat voor elke inerte vloeistof een overtreding van de tweede wet zou hebben betekend.

De eenvoudige conclusie was dat de organismen zwommen op een manier die de interne wrijving van de oplossing neutraliseerde om zoiets als een supervloeistof te produceren, een vloeistof met geen weerstand. De schijnbare thermodynamische schending was een illusie omdat de bacteriën het werk deden om de viscositeit te compenseren of te overwinnen.

“Elke individuele bacterie is extreem zwak, maar er is kracht in aantallen,” zei Jörn Dunkel, een wiskundige aan het Massachusetts Institute of Technology die niet bij het experiment betrokken was.

Maar E. coli zwemmen gewoonlijk niet allemaal in dezelfde richting, dus later onderzoek heeft geprobeerd uit te vinden wat hun bewegingen zou kunnen coördineren. Eén antwoord, volgens een onderzoek dat in juli werd gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences, is de interactie tussen individuen.

“Wanneer je een hoge dichtheid hebt, beginnen ze te zwermen,” zei Xiang Cheng, een natuurkundige aan de Universiteit van Minnesota en co-auteur van het artikel. Maar in tegenstelling tot het zwermen bij scholen vissen en zwermen vogels, wordt het zwermen van E. coli puur gedreven door hun fysieke kenmerken, niet door een geanimeerde reactie.

De opstelling van de onderzoekers leek op die van het Franse team, maar met een gekoppelde microscoop konden ze het gedrag van de bacteriën volgen. Toen de E. coli-cocktail 10 tot 20 volumeprocent bacteriën bereikte, vormden zich draaikolken. Terwijl de bacteriën door het water ploegden, dat op microscopische schaal honingdik aanvoelt, produceerden ze schokgolven die hun metgezellen zowel dichtbij als veraf opjoegen.

“Het is een beetje alsof je veel sterren in een melkwegstelsel hebt en ze kunnen elkaar beïnvloeden,” zei Dunkel. Die krachten moedigden lokale groepen van zwemmende E. coli aan om hun pilvormige lichamen op één lijn te brengen.

Dan maakt de beweging van de platen dat lokale gedrag globaal. Het slepen van de bovenste plaat zendt schuivende krachten door de vloeistof, die in feite de zwermen organiseren en oriënteren.

“Zonder afschuiving is de richting van het zwermen willekeurig,” zei Cheng. “Onder afschuiving krijg je de neiging om alle bacteriën in bepaalde richtingen te laten oplijnen.”

Als de invloed van de platen de bacteriën helpt zich in een gemiddelde richting te vestigen, duwt hun zwemmen op het water en genereert het lokale stromingen die de grootschalige eigenschappen van de oplossing veranderen.

Cheng’s experimentele resultaten komen grotendeels overeen met een nieuw theoretisch model, dat slechts een week eerder in Physical Review Letters is gepubliceerd. Met het doel een wiskundig kader te ontwikkelen om het experiment van 2015 te beschrijven, wijzigden de onderzoekers vergelijkingen die worden gebruikt voor vloeibare kristallen met nieuwe termen die de activiteit van de bacteriën verklaren.

Hun theorie reproduceerde de lage en negatieve viscositeiten die in experimenten werden gezien en voorspelde ook dat de bacteriën zich collectief in meerdere stabiele patronen konden oriënteren onder de druk van de platen.

“Je ontdekt dat je eigenlijk twee mogelijke toestanden hebt, twee mogelijke evenwichtsoplossingen,” zei Loisy.

Dunkel vergeleek het effect met het vasthouden van een stuk papier langs de boven- en onderrand en het bij elkaar brengen van je handen: Als het papier buigt, vouwt het in een C- of een S-vorm. Het is onwaarschijnlijk dat het papier van een van deze twee configuraties verandert totdat het wordt losgelaten. Het werk van Cheng suggereert ook twee grootschalige oriëntaties, maar hij verwacht dat beide gelijktijdig aanwezig zijn in verschillende groepen bacteriën, en dat het waargenomen gedrag een gemiddelde vertegenwoordigt.

Details over hoe deze effecten bijdragen aan het collectieve superfluïdische gedrag moeten nog worden uitgewerkt, maar niemand betwist dat de overdracht van energie van het microscopische naar het zichtbare echt is, en eigenaardig.

“Gewoonlijk kun je dit niet doen. Je kunt geen motor aandrijven met een vloeistof,” zei Loisy.

Maar met bacteriële energie kan dat blijkbaar wel.

“Als je genoeg bacteriën in de juiste opstelling had, zou je ze daadwerkelijk structuren kunnen laten verplaatsen,” zei Dunkel, wat de prikkelende mogelijkheid oproept om de beweging van de platen te gebruiken om een turbine te laten draaien.

Naast het aandrijven van een zeer kleine motor op bacteriesnelheid, omvatten andere potentiële toepassingen “slimme vloeistoffen” die in ondergrondse kanalen kunnen infiltreren om olie of verontreinigende stoffen eruit te persen, volgens Harold Auradou, een natuurkundige aan de Universiteit van Parijs-Sud en co-auteur van het artikel uit 2015.

Natuurlijk blijven de wetten van de thermodynamica onverminderd van kracht.

“Je doet hier niets magisch,” zei Loisy.

Twee factoren laten de bacterie-oplossingen slagen waar demonen en microgears dat niet doen. Ten eerste fungeren de E. coli zelf als kleine motoren, die energie metaboliseren uit suiker en zuurstof in het water. Om ze in beweging te houden, zorgen de onderzoekers ervoor dat de voedingsstoffen in de juiste verhouding zijn. Te weinig, en ze verhongeren. Te veel, en ze worden lui.

“Het zijn net mensen,” zei Cheng lachend.

Maar alle energie in de wereld helpt niet als die te gelijkmatig verdeeld is, of te ongeorganiseerd. Een systeem heeft asymmetrie nodig om energie van de ene plaats naar de andere te leiden. Warmtemotoren hebben bijvoorbeeld een warme vloeistof en een koude vloeistof nodig, en waterkrachtturbines hebben water nodig dat van een hoge naar een lage plaats stroomt. Voor bacteriën komt het neer op hun langgerekte vorm, die reageert op de krachten in het water.

“Alleen al het feit dat ze uitlijnen, dat er een voorkeursrichting is, breekt de symmetrie,” zei Loisy. “Als ze bolvormig waren, zou het niet werken.”

Dit artikel werd in het Spaans herdrukt op Investigacionyciencia.es.