Bilim insanları, küçük manyetik çubuklar ve dönen bir manyetik alan yardımıyla, hücre yüzeylerindeki tüy benzeri yapıların dalgalanma hareketini taklit etmeyi başardılar.
Kirpikler olarak bilinen tüy benzeri yapıların koordineli dalgalanması sayesinde, tek hücreli paramecium su ortamındaki çevresinde saniyede kendi uzunluğunun on katı bir hızla hareket edebilir. İnsan akciğerlerinde de siller bulunur ve bu sillerin hareketi mukusun uzaklaştırılmasını kolaylaştırır. Kirpiklerin sıvı kaydırma yeteneği, mikroakışkan araştırmacılarının yeni cihazlar için taklit etmek istedikleri bir şeydir, ancak mikro ölçekte sentetik kirpikler yapmakta zorluk çekiyorlardı. Şimdi, Hollanda’daki Eindhoven Teknoloji Üniversitesi’nden Jaap den Toonder liderliğindeki araştırmacılar, yapay kirpiklerin gerçek kirpiklerin işlevlerini ne kadar az taklit edebildiğini gösterdiler. Ayrıca, araştırmaları sıvının yeniden dağılımına neden olan belirli kirpik hareket özelliklerini ortaya çıkardı.
Mikrotübül demetleri ve ek özel proteinler doğal silleri oluşturur. Senkronize esnemeleri, bir silyumun komşusundan hemen sonra esnemesine neden olan sinyal moleküllerinden oluşan bir kova tugayı tarafından kontrol edilir. Sonuçta ortaya çıkan ve metakroni olarak bilinen örüntü, bir stadyumdaki seyirci dalgasını andırıyor. Araştırmacılar, zamanla değişen bir manyetik alan kullanarak sentetik kirpiklerdeki bu kolektif hareketi taklit edebiliyor. Bu modeldeki kirpikler, bir yüzey üzerinde bir dizi halinde düzenlenmiş paramanyetik bir maddeden yapılmış esnek çubuklardır.
Kirpikler, gökyüzünü tarayan bir havaalanı radarı gibi dizi boyunca ilerlerken alanın yönünde bükülerek tepki veriyor. İki yıl önce Den Toonder ve ekibi bu fikri hayata geçirmek için çubukları harekete geçirmek üzere bir dizi mıknatıs içeren bir taşıma bandı kullandı. Ancak mıknatıslar ve çubuklar yaklaşık 10 mm boyutundaydı ki bu da normal bir silyumdan üç kat daha büyük.
Ekibin son deneyi, boyutu iki büyüklük mertebesine indirmeyi başardı ve daha da küçültmek mümkün. Manyetik alanın yapay kirpikleri yönettiği benzersiz yöntem, sistemin minyatürize edilmesini sağladı. Bilim insanları 150 µm uzunluğundaki kirpikleri paramanyetik karbonil demirden oluşturmak için geleneksel yöntemler kullandılar.
Daha sonra, bu kirpiklerden oluşan koleksiyonları, paramanyetik bir madde silindirinin üzerine yerleştirilen plastik bir alt tabakaya yapıştırdılar. Silindirin alan çizgilerini bozması nedeniyle sistem dönen bir manyetik alana maruz kaldığında, her silyum herhangi bir zamanda farklı bir manyetik alanla karşılaştı. Her bir silyum, bu yerel alan güçlüden zayıfa doğru döndüğünde öne doğru eğilerek ve ardından elastik olarak geri çekilerek tepki verdi. Simülasyon yazılımı kullanılarak, alan dalgalanmalarının zamanlaması, bir dalganın dizi boyunca geçeceği şekilde ayarlandı.
Den Toonder ve ekibi, minyatür yapay kirpiklerinin metakronal bir şekilde hareket ettiğini doğrulamak için mikroskoba monte edilmiş bir video kamera kullandı.
Ancak, kirpikler sıvıyı hareket ettirebilir mi? Bu durumda, nasıl? Bu soru ilk bakışta göründüğünden daha inceliklidir. Hem bireysel sillerin kamçı benzeri hareketinin hem de kolektif metakronal dalgalarının sıvı hareketine neden olması mümkündür. Ayrıca, bir silyumun ileri ve geri vuruşları simetrikse, silyum bağımsız olarak net sıvı hareketi üretemez.
Bilim insanları, şeffaf plastikten bir mikroakışkan cihaz oluşturdular ve cevapları elde etmek için her seferinde bir düşük viskoziteli sıvıyı ve diğeri yüksek viskoziteli sıvıyı simüle etmek için iki sıvıyla doldurdular: sırasıyla su ve gliserol. Buna ek olarak, biri dalganın ileri bükülme yönüyle aynı yönde yayıldığı, diğeri ise bunların çeliştiği iki farklı kirpik dizisi türünü araştırdılar.
Sırasıyla semplektik ve antiplektik olarak adlandırılan bu iki durum, doğal olarak oluşan kirpiklerde görülen iki ana metakronal hareket kategorisine karşılık gelmektedir. Paramanyetik silindir düzenekten çıkarıldığında siller metakronal bir dalga üretmeden ileri geri salındı ancak dönme alanı sabit kaldı.
Bilim insanları, filmi inceleyerek hem ileri, manyetik olarak üretilen vuruş hem de geri, elastik geri yükleme vuruşu için sil ucu hareketini takip edebildiler. Manyetik strokun tüm farklı durumlarda elastik stroktan daha fazla yer kapladığını keşfettiler, bu da manyetik strokun akış yaratmada daha önemli olduğunu gösteriyor. Aslında, yüksek viskoziteli akışkan için ölçülen akışkan akışı ileriye doğruydu.
Bununla birlikte, düşük viskoziteli akışkanda elastik vuruş manyetik olandan önemli ölçüde daha hızlıydı ve bu kamçı benzeri hareket geriye doğru akışa neden oldu. Metakronal hareketin her iki akışkanda da kirpikler tarafından oluşturulan akışı çarpıttığı, antiplektik metakroniyi desteklediği ve semplektik metakroniyi bozduğu keşfedilmiştir.
Bulgular, bireysel ve grup sil hareketinin akış oluşumuna yapabileceği çeşitli katkıları göstermektedir. Araştırmacılara göre bu bilgi, sentetik kirpikleri küçük mikroakışkan çiplere dahil etmeye yönelik gelecek girişimler için faydalı olabilir. Ayrıca, sentetik kirpiklerin doğal kirpik boyutuna daha da küçültülerek, hücrelerin ve dokuların sıvı ortamlarını düzenlemek için çalışıp çalışmadıklarına dair çalışmalara olanak sağlayacağını öngörüyorlar.
Kaynak: physics aps org
