Sıcak bir banyo rahatlamak için bir yerdir. Bilim adamları için, aynı zamanda moleküllerin veya küçük yapı taşlarının malzeme oluşturmak için buluştuğu yerdir. Araştırmacılar bunu bir sonraki seviyeye taşıyor ve malzemeleri dövmek için yüzen bakterilerin enerjisini kullanıyor. Yakın zamanda yapılan bir çalışma bize bunun nasıl çalıştığını ve bu yenilikçi yaklaşımdan doğabilecek potansiyel sürdürülebilirlik faydalarını gösteriyor.
Göz kamaştırıcı fikirlerin ne zaman aklınıza geleceğini asla bilemezsiniz. Bazen Viyana'daki bir kaya spor salonu gibi en beklenmedik yerlerden çıkarlar. ISTA'dan fizikçi Jérémie Palacci'nin yüzen bakteri enerjisinden yararlanarak malzemelerin nasıl bir araya getirileceği üzerinde çalışan araştırma grubundaki yüksek lisans öğrencisi Daniel Grober ve Edouard Hannezo'nun grubunda postdoc olan Mehmet Can Uçar için durum böyleydi. Bilim ve tırmanmaya olan ortak tutkularından güç alan spor salonundaki tartışmalar, Grober'in deneyinin kâğıt kalem modeline dönüştü. Konseptleri, görev gücüne katılmaya karar veren Anđela Šarić'in grubunda postdoc olan Ivan Palaia'yı büyüledi.
Tamamen ISTA'dan oluşan bu dinamik üçlü birlikte, bugün Nature Physics'te yayınlanan bir makaleyle artık zirvesine ulaşan ortak bir çabaya girişti. Çalışma, küçük yapı taşlarından malzeme imal etmek için yeni bir deneysel strateji gösteriyor. Yüksek sıcaklık ve yavaş soğuma döngülerinin bir malzemenin yapısını belirlediği demircilik sanatı olan metalürjiden gelen fikirleri, yüzen bakteri banyosundan gelen aktiviteyi kullanarak yumuşak malzemelere çeviriyor.
Aktif banyolar nelerdir?
Jérémie Palacci'nin Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırma grubunda her şey mikroskobik parçacıklarla ilgili. "Çalışmamız, bir saç telinden yüz kat daha küçük, 'Lego' benzeri küçük yapı taşları etrafında dönüyor. Bu bileşenlerin nasıl bir araya gelip daha büyük yapılar oluşturduğunu anlamaya çalışıyoruz" diye açıklıyor. Tipik olarak, bu yapı taşları suda asılı kaldığında, parçacıkların rastgele ileri geri zıplaması için enerji sağlayan sıcaklık nedeniyle sallanırlar. İlk olarak 1905'te Einstein tarafından rasyonalize edilen ve Brownian hareketi olarak bilinen bir fenomen.
Kaosun ortasında düzen getirmek için suya "aktif bir madde" eklemek faydalıdır. Bu, ajanın küçük bir ateş gibi davrandığı "aktif banyo" olarak bilinen sonuç verir. Prensipte, bu ekstra enerjiyle, demircinin dövme yapma yöntemi gibi, malzemelerin montajını ve özelliklerini kontrol etmeyi umabilirsiniz. Bununla birlikte, şimdiye kadar, örneğin bakterilerin dövmek için kullanıldığı bir yaklaşım hiç keşfedilmemişti.
Bakteri -- ateş
Palacci'nin öğrencisi Daniel Grober, bu zorluğu üstlendi ve metalurjiden ilham alan özelliklere sahip böylesine aktif bir banyo inşa etmeye başladı. Grober, "E. coli bakterisini aktif bir madde olarak kullandık, çünkü yüzme hareketleri enerji ve bir tür ajitasyon sağladı -- bir fizikçi için 2000 °C'ye eşdeğer 'sıcaklık', metal işlemek için gerekene benzer. Ancak bakteriler tarafından yapıldığı ve gerçek bir fırın olmadığı için jeller ve yumuşak malzemelerle yakmadan kullanılabilecek kadar yumuşak kalıyor." Yapı taşları, temas ettiğinde birbirine yapışan yuvarlak boncuklar olan yapışkan kolloidler şeklindeki mikroskobik parçacıklardı.
Bu fikir başarılı oldu. Yüzen bakteriler, boncukların hareketini etkili bir şekilde güçlendirerek, agregasyonların ve jel benzeri yapıların oluşmasına neden oldu.
Bakterilerin ritmine dans edin
Dahası, bu yeni oluşan kümelerin gözlemlenmesi ilgi çekici bir tekillik gösterdi. Agregalar her zaman saat yönünde ama çok yavaş dönüyordu. Bu gözleme ışık tutmak için Grober, sistemin hareketinin istatistiksel bir analizini yaptı. E. coli flagella'nın saat yönünde dönüşünden (kirallik) kaynaklanan kümelerin yavaş ve kalıcı bir dönüşünü doğruladı. Bilim adamı, gözlemlediği alışılmadık yapıların oluşumunda dönme hareketinin çok önemli bir rol oynadığından şüpheleniyordu.
Çalışmasını haftalık bir laboratuvar toplantısında sunması, fenomenin anlaşılmasına yol açan meslektaşı Ivan Palaia'nın ilgisini çekti. Palaia, yüzen bakterileri simüle etmeden bakteri banyosunun kiralitesini yakalamak için minimal bir hesaplama modeli önerdi. Bilgisayar simülasyonları, mekanizmanın daha derin bir şekilde anlaşılmasını sağlamadan önce deneysel sonuçların nicel olarak yeniden üretilmesiyle doğrulandı. Model, geleneksel olarak elde edilemeyen egzotik mekanik özelliklere sahip dikkat çekici yapılar oluşturarak, jellerin şekillendirilmesinde dönmenin göze çarpan rolünü doğruladı.
Gelecekte daha fazlası gelecek
Geleneksel olmayan malzemeleri bir araya getirmek için bakteri banyolarının bu şekilde kullanılması büyük umut vaat ediyor. Örneğin, çalışma mikron ölçeğinde 2B yapılarla sınırlı olsa da yaklaşım ölçek yükseltme potansiyeli için tasarlandı. "Bu yenilikçi yaklaşımla, avucumun içinde tutulabilecek kadar büyük 3D örnekler oluşturmak teorik olarak mümkün olabilir!" Palaci ekliyor. Bu gelişme, harici enerji kaynaklarına güvenmek yerine bakterilerden gelen enerjiyi kullanarak malzeme üretiminin sürdürülebilirliğini de artırabilir.
Son olarak çalışma, Palacci'nin ERC tarafından finanse edilen "VULCAN: madde içeriden güç alıyor" adlı projesinin temelini atarak bir kavram kanıtı görevi görüyor ve inovasyonu yönlendiren bilimde disiplinler arası iş birliğinin önemini bir kez daha vurguluyor. Palacci, "ISTA'nın teşvik ettiği ortak çalışma olmasaydı, proje bu kavramsal ve nicel derinliğe asla ulaşamazdı."