Бактерии помогли создать жидкость с отрицательной вязкостью

Французские физики экспериментально показали, что большие концентрации подвижных бактерий могут снижать эффективную вязкость воды до нуля и даже делать ее отрицательной, то есть оказывать дополнительное воздействие на жидкость. В перспективе это может привести к созданию «бактериальных насосов», способных прокачивать жидкость через каналы микроустройств. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Для исследования вязкости авторы помещали жидкость в канал, образованный двумя цилиндрами разного радиуса, вложенными друг в друга. Внешний цилиндр вращался с заданной угловой скоростью, а внутренний был подсоединен к упругому элементу, по деформации которого можно судить о возникающем напряжении, действующем на внутренний цилиндр. Такой прибор называется реометром и позволяет измерять связь между сдвигом (градиентом скорости) и напряжением, возникающем из-за вязкого сопротивления жидкости.

Суспензию бактерий Escherichia coli, обладающих собственной подвижностью благодаря наличию жгутиков, помещали в реометр и измеряли ее динамическую вязкость — коэффициент пропорциональности между сдвигом и напряжением. Авторов интересовала зависимость вязкости от концентрации бактерий, а также наличия в растворе определенных питательных веществ и кислорода.

Оказалось, что для растворов с массовой долей бактерий меньше 0,3 процентов выполнялся закон вязкости Ньютона, при этом вязкость уменьшалась при увеличении концентрации бактерий. При более высоком содержании микроорганизмов и наличии в растворе L-серина — аминокислоты, увеличивающей собственную подвижность бактерий — вязкость в законе Ньютона достигала нуля и отрицательных значений. Фактически это означает, что жидкость не оказывала вязкого сопротивления сдвигу или в ней даже возникала собственная подвижность.

Ученые объясняют результаты эксперимента тем, что бактерии под действием сдвига упорядоченно выстраиваются и далее за счет собственной подвижности компенсируют вязкое сопротивление. Этот эффект был описан ранее, однако экспериментально наблюдать нулевую вязкость и тем более отрицательную удалось впервые.

Явление, в котором вязкое сопротивление жидкости становится нулевым, называют сверхтекучестью. Такое явление наблюдается, например, в жидком гелии, охлажденном до нескольких кельвинов: сверхтекучий гелий способен самостоятельно двигаться против поля тяжести. Однако его поведение принципиально отличается от эффекта, описанного в новой работе. Нулевая вязкость бактериальной суспензии — это эффективное значение, возникающее из-за упорядочивания бактерий под действием сдвига.

Несмотря на то, что речь идет о собственной подвижности жидкости, суспензия бактерий не будет способна, например, вытечь из чаши против действия силы тяжести. Тем не менее, подобный эффект может найти применение, например, в микрофлюидных устройствах, где идет гонка за снижение вязкого сопротивления, возникающего при течении жидкостей через очень тонкие каналы.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Безумие в наследство — 2

Как развитие технологий позволило нащупать «топологическое решение» загадки шизофрении

Шизофрения — одна из самых загадочных и сложных болезней человека. Уже более ста лет ученые пытаются понять причины ее возникновения и найти ключ к терапии. Пока эти усилия не слишком успешны: до сих пор нет ни препаратов, которые могли ли бы ее по-настоящему лечить, ни даже твердого понимания того, какие молекулярные и клеточные механизмы ведут к ее развитию. О том, как ученые бьются с «загадкой шизофрении» мы уже неоднократно писали: сначала с точки зрения истории психиатрии, затем с позиции классической генетики (читателю, который действительно хочет вникнуть в суть проблемы, будет очень полезно сначала прочитать хотя бы последний текст). На этот раз наш рассказ будет посвящен новым молекулярно-биологическим методам исследования, которые появились в распоряжении ученых буквально в последние несколько лет. Несмотря на сырость методик и предварительность результатов, уже сейчас с их помощью получены важнейшие данные, впервые раскрывающие механизм шизофрении на молекулярном уровне.