Un grupo de investigación que incluye a la estudiante de posgrado de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Kyoto, Saori Suda (en el momento de la investigación) y al profesor Masatoshi Ichikawa; El becario de investigación JSPS de la Universidad de Keio, Tomoharu Suda, y el becario del HFSP del Instituto Max Planck de Microbiología Terrestre, Takuya Ohmura, realizaron experimentos y cálculos teóricos para observar el movimiento de las gotas de agua en un líquido y descubrieron que a medida que la gota de agua aumentaba de tamaño, detenía el movimiento lineal. y comenzó a ‘deambular’ por su entorno.
Se sabía que las gotas de agua exhibían una variedad de movimientos al nadar en líquidos; sin embargo, hasta ahora, no se entendía claramente cómo se desencadenaron estos movimientos. Según el Dr. Ichikawa, “Estábamos interesados en los objetos en movimiento espontáneo, que son universales tanto para los seres vivos como para los no vivos. Centrándonos en las gotas autopropulsadas de agua, aceite y surfactante, realizamos un experimento para investigar los cambios espontáneos de movimiento “.
En el experimento, el grupo observó un sistema autopropulsado simple que constaba de gotas de agua pura, aceite y un tensioactivo. Primero, mediante la observación con un microscopio y controlando con precisión el tamaño de la gota de agua, se descubrió que cuando la gota de agua se agranda, su movimiento cambia de un movimiento en línea recta a un movimiento curvilíneo.
A continuación, para investigar la causa de este cambio, se utilizó la velocimetría de imagen de partículas (PIV), que mide la convección, para medir el patrón de convección interno de las gotas de agua cerca de un radio de 100 micrómetros donde se produce el cambio de movimiento. Se encontró que la diferencia de gradiente entre el flujo dipolar y el flujo cuadrupolar de convección interna se correlaciona sistemáticamente con el cambio en la dirección de movimiento de las gotas de agua.
A partir de esto, se creó un modelo hidrodinámico para aclarar el mecanismo de cambio en la dirección del movimiento. Si la convección interna de las gotas de agua y la concentración de tensioactivo se expresan mediante el uso de armónicos esféricos, se pueden separar en componentes con diferentes simetrías. La distribución de la concentración del tensioactivo se obtiene a partir de la ecuación de advección-difusión. Centrándonos en el hecho de que la convección interna satisface la ecuación de Stokes, se puede obtener una ecuación diferencial que exprese la interacción entre los componentes. La estabilidad derivada teóricamente y el comportamiento esperado se compararon con los de las condiciones experimentales; los resultados mostraron que (1) en la escala de tiempo del experimento, la estabilidad de una gota de agua grande cambió parcialmente,
Según el profesor Ichikawa, “esta investigación revela una parte del mecanismo de movimiento espontáneo expresado por componentes abióticos que se asemeja a los seres vivos. En el futuro, nos gustaría aclarar la conexión entre los diversos movimientos que muestran los organismos y las células y los movimientos espontáneos de componentes abióticos “.
■ Ecuación de advección-difusión: ecuación que expresa el movimiento de la materia en un fluido, considerando tanto el transporte por advección como el movimiento por difusión. En el estudio, se utilizó para representar cambios en la distribución de concentración de tensioactivos.
■ Ecuación de Stokes: generalmente, el movimiento de un fluido se expresa mediante las ecuaciones de Navier-Stokes, pero esto puede simplificarse especialmente cuando el efecto de la viscosidad del fluido es grande; la ecuación resultante se llama ecuación de Stokes. Describe los campos de flujo que deben considerarse en el estudio.