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.