În afara imaginației profesorilor de fizică, dispozitivele fără frecare sunt greu de găsit. Dar punând o grămadă de bacterii înotătoare într-o picătură de apă se obține exact acest lucru: un fluid cu rezistență zero la mișcare. În mod incredibil, această rezistență (sau vâscozitate, așa cum este corect cunoscută) poate deveni chiar negativă, creând un lichid care se autopropulsează și care ar putea, să zicem, să învârtă un motor într-un mod care pare să sfideze legile termodinamicii. O lucrare recentă explică modul în care bacteriile conspiră pentru a realiza improbabilul.

„Pentru un fluid normal este imposibil, deoarece întregul lucru ar fi instabil”, a declarat Aurore Loisy, fizician la Universitatea Bristol din Marea Britanie și coautor al unuia dintre noile studii, „dar pentru bacterii cumva funcționează.”

Fizicienii visează de mult timp să obțină ceva pentru nimic, chiar dacă numai în experimente de gândire ciudate. În anii 1860, James Maxwell a evocat un demon atotștiutor care putea redirecționa moleculele rapide de aer într-o parte a unei încăperi și moleculele lente în cealaltă parte, creând o diferență de temperatură care ar putea alimenta un motor. Cu puțin mai mult simț practic, în 1962, Richard Feynman a ținut o prelegere despre un angrenaj microscopic care, atunci când era bruscat de moleculele de aer, se rotea într-o singură direcție, acționând un motor. Dar astfel de idei sunt zădărnicite de cea de-a doua lege a termodinamicii, care insistă asupra faptului că sortarea sau rotirea trebuie să genereze căldură care condamnă ambele scheme. După cum spunea poetul Allen Ginsberg, nu poți câștiga și nici nu te poți despărți.

Recent, s-au adunat dovezi că, deși un prânz gratuit este exclus, o gustare ieftină ar putea fi fezabilă cu un sistem construit în jurul unui fluid viu. Ciudățeniile experimentale au început să iasă la suprafață în 2015, când o echipă franceză a confirmat că soluțiile de E. coli și apă pot deveni nefiresc de alunecoase. Plasând o picătură între două plăci mici, ei au înregistrat forța necesară pentru a face una dintre plăci să alunece cu o anumită viteză. De obicei, lichidele devin mai greu de agitat, sau mai vâscoase, atunci când conțin particule suplimentare în suspensie (gândiți-vă la apă vs. noroi), dar contrariul se dovedește a fi adevărat atunci când particulele pot înota. Atunci când soluția avea aproximativ jumătate de procent de E. coli în volum, menținerea plăcii în mișcare nu a necesitat nicio forță, ceea ce indică o vâscozitate zero. Unele încercări au înregistrat chiar o vâscozitate negativă, când cercetătorii au fost nevoiți să aplice puțină forță împotriva mișcării plăcilor pentru a le împiedica să accelereze. Lichidul făcea muncă, ceea ce pentru orice fluid inert ar fi însemnat o încălcare a celei de-a doua legi.

Concluzia directă a fost că organismele înotau într-un mod care neutraliza frecarea internă a soluției pentru a produce ceva asemănător unui superfluid, un lichid cu rezistență zero. Aparenta încălcare a termodinamicii era o iluzie, deoarece bacteriile făceau munca necesară pentru a compensa sau depăși vâscozitatea.

„Fiecare bacterie individuală este extrem de slabă, dar există putere în număr”, a declarat Jörn Dunkel, un matematician de la Massachusetts Institute of Technology care nu a fost implicat în experiment.

Dar E. coli nu înoată de obicei toate în aceeași direcție, astfel că cercetările ulterioare au încercat să afle ce ar putea coordona mișcările lor. Un răspuns, potrivit cercetării publicate în iulie în Proceedings of the National Academy of Sciences, este reprezentat de interacțiunile dintre indivizi.

„Când aveți o densitate mare, ele încep să se înghesuie”, a declarat Xiang Cheng, fizician la Universitatea din Minnesota și co-autor al lucrării. Dar, spre deosebire de roiurile observate în bancurile de pești și stolurile de păsări, roiurile de E. coli sunt determinate pur și simplu de caracteristicile lor fizice, nu de un răspuns animat.

Configurația cercetătorilor a semănat cu cea a echipei franceze, dar un microscop atașat le-a permis să urmărească comportamentul bacteriilor. Desigur, atunci când cocktailul de E. coli a ajuns la 10 până la 20 la sută bacterii în volum, s-au format vârtejuri. Pe măsură ce bacteriile au străbătut apa, care se simte groasă ca mierea la scara lor microscopică, au produs unde de șoc care și-au zdruncinat tovarășii atât de aproape, cât și de departe.

„Este un pic ca și cum ai avea o mulțime de stele într-o galaxie și acestea se pot afecta reciproc”, a spus Dunkel. Aceste forțe au încurajat grupurile locale de E. coli care înoată să își alinieze corpurile în formă de pilule.

Apoi mișcarea plăcilor face ca acest comportament local să devină global. Tragerea plăcii superioare trimite forțe de forfecare care se unduiesc prin fluid, care, de fapt, organizează și orientează roiurile.

„Fără forfecare, direcția roiurilor este aleatorie”, a spus Cheng. „Sub forfecare, obțineți tendința de a avea toate bacteriile aliniate în anumite direcții.”

După ce influența plăcilor ajută bacteriile să se așeze într-o aliniere medie, înotul lor împinge apa și generează fluxuri locale care transformă proprietățile la scară largă ale soluției.

Rezultatele experimentale ale lui Cheng sunt în mare măsură în concordanță cu un nou model teoretic, publicat cu doar o săptămână mai devreme în Physical Review Letters. Cu scopul de a dezvolta un cadru matematic pentru a descrie experimentul din 2015, cercetătorii au modificat ecuațiile folosite pentru cristale lichide cu noi termeni care să țină cont de activitatea bacteriilor.

Teoria lor a reprodus vâscozitățile scăzute și negative observate în experimente și a prezis, de asemenea, că bacteriile se pot orienta colectiv în mai multe modele stabile sub presiunea plăcilor.

„Descoperi că, de fapt, ai două stări posibile, două soluții de echilibru posibile”, a spus Loisy.

Dunkel a comparat efectul cu a ține o bucată de hârtie de-a lungul marginilor sale de sus și de jos și a apropia mâinile: Pe măsură ce hârtia se îndoaie, ea se pliază fie în formă de C, fie în formă de S. Apoi este puțin probabil să se schimbe de la una dintre aceste două configurații până când este eliberată. Lucrarea lui Cheng sugerează, de asemenea, două orientări pe scară largă, dar el se așteaptă ca ambele să fie prezente simultan în diferite grupuri de bacterii, iar comportamentul observat să reprezinte o medie.

Detalii despre modul în care aceste efecte contribuie la comportamentul colectiv superfluidic rămân de pus la punct, dar nimeni nu contestă faptul că transferul de energie de la microscopic la vizibil este real, și deosebit.

„De obicei, nu poți face acest lucru. Nu poți alimenta un motor cu un fluid”, a spus Loisy.

Dar cu energia bacteriană, se pare că se poate.

„Dacă ai avea destule bacterii în configurația potrivită, ai putea de fapt să le faci să miște structurile”, a spus Dunkel, ceea ce ridică posibilitatea tentantă de a valorifica mișcarea plăcilor pentru a roti o turbină.

Pe lângă acționarea unui motor foarte mic la viteza bacteriilor, alte aplicații potențiale includ „lichide inteligente” care ar putea să se infiltreze în canalele subterane pentru a forța eliminarea petrolului sau a poluanților, potrivit lui Harold Auradou, fizician la Universitatea Paris-Sud și coautor al lucrării din 2015.

Desigur, din toate punctele de vedere, legile termodinamicii rămân pe deplin în vigoare.

„Nu faci nimic magic aici”, a spus Loisy.

Doi factori lasă soluțiile bacteriene să reușească acolo unde demonii și microgeamurile nu reușesc. În primul rând, E. coli acționează ele însele ca niște mici motoare, metabolizând energia din zahărul și oxigenul din apă. Pentru a le menține în mișcare, cercetătorii au mare grijă să obțină un echilibru corect al nutrienților. Prea puțin, iar ei mor de foame. Prea multă, și devin leneșe.

„Sunt ca oamenii”, a spus Cheng râzând.

Dar toată energia din lume nu va ajuta dacă este distribuită prea ușor sau prea dezorganizată. Un sistem are nevoie de asimetrie pentru a coagula energia dintr-un loc în altul. Motoarele termice au nevoie de un fluid cald și un fluid rece, de exemplu, iar turbinele hidroenergetice au nevoie ca apa să curgă de la un loc înalt la un loc jos. Pentru bacterii, aceasta se reduce la forma lor alungită, care răspunde la forțele din apă.

„Simplul fapt că se aliniază, că există o direcție preferată, rupe simetria”, a spus Loisy. „Dacă ar fi fost sferice, nu ar fi funcționat.”

Acest articol a fost retipărit în limba spaniolă la Investigacionyciencia.es.

.