Израильские физики учат наночастицы "серфингу" по хаотическим волнам микромира
Ученые Тель-Авивского университета совместно с коллегами из Университета Генриха Гейне в Дюссельдорфе разработали теорию оптимального транспорта частиц в микромире.
В живых клетках молекулярные моторы постоянно переносят питательные вещества. Среда внутри организма довольно неустойчивая: на случайные тепловые колебания накладываются внешние периодические силы – пульсации от сердцебиения, ритмические изменения концентраций в метаболических циклах. При этом внешние силы могут и помогать движению наночастиц, и мешать ему.
Физики задались вопросом: можно ли использовать внешние силы для экономии энергии при транспорте наночастиц? И нашли оптимальную стратегию. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Ученые рассматривали коллоидные нано- и микрочастицы, которыми можно управлять с помощью оптического пинцета – лазерной ловушки для микрообъектов. Ученые попробовали провести частицу из точки А в точку B с минимальными энергозатратами. Основная идея оказалась похожа на серфинг: серфер не бросается на первую попавшуюся волну, а наблюдает и ловит нужный момент для старта. Ученые сделали то же самое. Зная заранее ритм внешних периодических сил в среде, ученые двигали частицу только тогда, когда внешние силы были направлены в нужную сторону, а когда ситуация менялась – ждали, и снова ловили энергетическую волну.
Оказалось, что при правильном серфинге, можно не только оптимально доставлять частицы из точки А в точку B, но даже получать энергию из такой неравновесной системы. Периодические внешние силы "подкачивают" энергию в среду, и оптимальный протокол управления позволяет "забрать" часть этой энергии в виде полезной работы.
Ученые отмечают, что для выбора оптимальной стратегии нужно заранее знать паттерн внешних сил, но результаты устойчивы к небольшим неточностям: достаточно приблизительно понимать общий ритм, как серфер чувствует ритм волн.
Ученые пишут: "Процессы, которые мы изучали в растворе, происходят точно таким же образом внутри клеток. Изучение оптимальных решений помогает понять энергетику естественных микросистем и использовать эту стратегию для создания искусственных систем".
Теория открывает путь к созданию наномашин, которые могли бы, используя оптимальное скольжение по энергетическим волнам, доставлять лекарства в нужные участки организма с минимальными энергозатратами.
