Friktionssäkra enheter är svåra att hitta utanför fysiklärarnas fantasi. Men genom att placera ett gäng simmande bakterier i en vattendroppe uppnår man just detta: en vätska med noll motstånd mot rörelse. Otroligt nog kan detta motstånd (eller viskositet, som det egentligen heter) till och med bli negativt, vilket skapar en självdrivande vätska som till exempel skulle kunna driva en motor på ett sätt som tycks trotsa termodynamikens lagar. Nya studier förklarar hur bakterier konspirerar för att lyckas med det osannolika.

”För en normal vätska är det omöjligt eftersom det hela skulle bli instabilt”, säger Aurore Loisy, fysiker vid universitetet i Bristol i Storbritannien och medförfattare till en av de nya studierna, ”men för bakterier fungerar det på något sätt.”

Fysiker har länge drömt om att få något för ingenting, även om det bara är i udda tankeexperiment. På 1860-talet trollade James Maxwell fram en allvetande demon som kunde shunta snabba luftmolekyler till ena sidan av ett rum och långsamma molekyler till den andra, vilket skapade en temperaturskillnad som kunde driva en motor. Med en marginellt mer praktisk inriktning föreläste Richard Feynman 1962 om ett mikroskopiskt kugghjul som, när det stöttas av luftmolekyler, skulle vrida sig i endast en riktning och driva en motor. Men sådana idéer krossas av termodynamikens andra lag, som kräver att sorteringen eller vridningen måste generera värme, vilket gör att båda planerna går i stöpet. Som poeten Allen Ginsberg uttryckte det, man kan inte vinna och man kan inte gå jämnt ut.

Nyligen har bevisen ökat för att även om en gratis lunch är utesluten, kan ett billigt mellanmål vara möjligt med ett system som bygger på en levande vätska. Experimentella konstigheter började dyka upp 2015 när ett franskt team bekräftade att lösningar av E. coli och vatten kunde bli onaturligt glatta. De placerade en droppe mellan två små plattor och registrerade den kraft som krävs för att få den ena plattan att glida i en viss hastighet. Vätskor blir vanligtvis svårare att röra om, eller mer viskösa, när de innehåller ytterligare suspenderade partiklar (tänk vatten kontra lera), men motsatsen visar sig vara sann när partiklarna kan simma. När lösningen innehöll ungefär en halv volymprocent E. coli krävdes ingen kraft alls för att hålla plattan i rörelse, vilket tyder på noll viskositet. I vissa försök registrerades till och med negativ viskositet, då forskarna var tvungna att utöva en viss kraft mot plattornas rörelse för att hindra dem från att bli snabbare. Vätskan utförde arbete, vilket för vilken inert vätska som helst skulle ha inneburit ett brott mot den andra lagen.

Den raka slutsatsen var att organismerna simmade på ett sätt som neutraliserade lösningens inre friktion för att åstadkomma något som liknar en superfluid, en vätska med noll motstånd. Det uppenbara termodynamikbrottet var en illusion eftersom bakterierna utförde arbetet för att kompensera eller övervinna viskositeten.

”Varje enskild bakterie är extremt svag, men det finns en styrka i antal”, säger Jörn Dunkel, matematiker vid Massachusetts Institute of Technology som inte var inblandad i experimentet.

Men E. coli simmar vanligtvis inte alla i samma riktning, så efterföljande forskning har försökt ta reda på vad som kan samordna deras rörelser. Ett svar, enligt forskning som publicerades i juli i Proceedings of the National Academy of Sciences, är interaktionen mellan individer.

”När du har hög densitet börjar de svärma”, säger Xiang Cheng, fysiker vid University of Minnesota och medförfattare till artikeln. Men till skillnad från den svärmning som ses i fiskeskolor och fågelflockar drivs svärmningen av E. coli enbart av deras fysiska egenskaper, inte av en animerad reaktion.

Forskarnas uppställning liknade det franska lagets, men ett bifogat mikroskop gjorde det möjligt för dem att följa bakteriernas beteende. Visst, när E. coli-cocktailen nådde 10 till 20 procent bakterier per volymprocent bildades virvlar. När bakterierna plöjde genom vattnet, som känns honungstjockt på deras mikroskopiska skala, producerade de chockvågor som slog sina följeslagare både nära och långt borta.

”Det är lite som om du har en massa stjärnor i en galax och de kan påverka varandra”, säger Dunkel. Dessa krafter uppmuntrade lokala grupper av simmande E. coli att anpassa sina pillerformade kroppar.

Sedan gör plattornas rörelse det lokala beteendet globalt. Genom att dra den översta plattan skickas skjuvkrafter genom vätskan, vilket i praktiken organiserar och orienterar svärmarna.

”Utan skjuvkrafter är riktningen på svärmarna slumpmässig”, säger Cheng. ”Med skjuvning får man en tendens att alla bakterier ställer upp sig i vissa riktningar.”

När plattornas inflytande hjälper bakterierna att ställa in sig i en genomsnittlig inriktning trycker deras simning på vattnet och genererar lokala flöden som förändrar lösningens storskaliga egenskaper.

Chengs experimentella resultat stämmer i stort sett överens med en ny teoretisk modell, som publicerades bara en vecka tidigare i Physical Review Letters. I syfte att utveckla ett matematiskt ramverk för att beskriva experimentet från 2015 modifierade forskarna ekvationer som används för flytande kristaller med nya termer som redogör för bakteriernas aktivitet.

Din teori reproducerade de låga och negativa viskositeterna som sågs i experimenten och förutspådde också att bakterierna kollektivt kunde orientera sig i flera stabila mönster under trycket från plattorna.

”Man upptäcker att man faktiskt har två möjliga tillstånd, två möjliga jämviktslösningar”, sade Loisy.

Dunkel liknade effekten vid att hålla ett papper längs dess övre och nedre kanter och föra samman händerna: När pappret böjer sig viker det sig till antingen en C- eller en S-form. Det är sedan osannolikt att det ändrar sig från en av dessa två konfigurationer tills det släpps. Chengs arbete tyder också på två storskaliga orienteringar, men han förväntar sig att båda förekommer samtidigt i olika grupper av bakterier, och att det observerade beteendet representerar ett genomsnitt.

Detaljerna om hur dessa effekter bidrar till det kollektiva suprafluidiska beteendet återstår att reda ut, men ingen ifrågasätter att överföringen av energi från det mikroskopiska till det synliga är verklig, och märklig.

”Vanligtvis kan man inte göra detta. Du kan inte driva en motor med en vätska”, sade Loisy.

Men med bakterieenergi kan du tydligen göra det.

”Om du har tillräckligt många bakterier i rätt miljö kan du faktiskt få dem att flytta strukturer”, sade Dunkel, vilket ger upphov till den lockande möjligheten att utnyttja plattornas rörelse för att driva en turbin.

Förutom att driva en mycket liten motor i bakteriehastighet finns andra potentiella tillämpningar som ”smarta vätskor” som skulle kunna infiltrera underjordiska kanaler för att tvinga ut olja eller föroreningar, enligt Harold Auradou, fysiker vid University of Paris-Sud och medförfattare till artikeln från 2015.

Naturligtvis förblir termodynamikens lagar av allt att döma fullt ut i kraft.

”Du gör inget magiskt här”, sade Loisy.

Två faktorer gör att bakterielösningarna lyckas där demoner och mikrokärror inte gör det. För det första agerar E. coli som små motorer själva, som metaboliserar energi från socker och syre i vattnet. För att hålla dem i rörelse är forskarna mycket noga med att få balansen mellan näringsämnena att stämma. För lite och de svälter. För mycket och de blir lata.

”De är som människor”, säger Cheng med ett skratt.

Men all energi i världen hjälper inte om den är för jämnt fördelad eller för oorganiserad. Ett system behöver asymmetri för att locka energi från en plats till en annan. Värmemotorer kräver till exempel en varm vätska och en kall vätska, och vattenkraftsturbiner behöver vatten som strömmar från en hög plats till en låg plats. För bakterier handlar det om deras långsträckta form, som reagerar på krafterna i vattnet.

”Bara det faktum att de anpassar sig, att det finns en önskad riktning, bryter symmetrin”, säger Loisy. ”Om de var sfäriska skulle det inte fungera.”

Denna artikel har återgivits på spanska på Investigacionyciencia.es.