Rotazione inversa di un motore a cricchetto su un letto ad acqua vibrante

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14141 (2022) Citare questo articolo

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Un ingranaggio a cricchetto su un letto ad acqua vibrante presenta una rotazione unidirezionale. Il senso di filatura è però opposto a quello dell'ingranaggio posto sul letto granulare. La rotazione unidirezionale è causata dalle onde superficiali dell'acqua. La deformazione della superficie fa sì che il trasporto dell'elemento acqua faccia ruotare l'ingranaggio. La simmetria spaziale dell'onda superficiale e la geometria degli ingranaggi regolano la coppia rotazionale. In questo studio, lo stesso cricchetto mostra un movimento inverso tra il letto granulare e quello ad acqua, e la direzione non è determinata solo dalla geometria del cricchetto. L'auto-organizzazione del mezzo fluido causata da piccole agitazioni induce una non banale inversione del senso di filatura.

Il movimento regolare spontaneo in un campo potenziale uniforme ha attirato l'attenzione dal punto di vista del movimento biologico, dove la rettifica dei movimenti casuali mediante reazioni chimiche viene realizzata in campi potenziali apparentemente uniformi1,2,3,4,5,6,7. Per un motore molecolare, si presume spesso che un tipico movimento biologico, un potenziale di tipo a cricchetto, sia una parte cruciale della rettifica, dove il cambiamento periodico nella forma del potenziale a dente di sega trasporta la molecola. La direzione di trasporto è stata determinata esclusivamente dalla forma asimmetrica del cricchetto. Secondo un meccanismo ampiamente accettato, la reazione chimica provoca un cambiamento periodico della forma del cricchetto, che determina la direzione del movimento con l'aiuto dell'agitazione termica.

La comprensione del movimento biologico ha ispirato un gran numero di studi sulla materia attiva8,9,10,11. Si muovono spontaneamente attraverso reazioni chimiche e stimoli fisici (ad esempio, l'irradiazione luminosa). Recentemente sono stati studiati motori a cricchetto azionati da agitazione biologica e/o meccanica12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Un motore a cricchetto in una soluzione contenente batteri presenta una rotazione unidirezionale13. Qui i batteri in movimento entravano in collisione con l'ingranaggio a cricchetto per muoversi. Quando il movimento è solo browniano (batteri morenti), il cricchetto non presenta una rotazione unidirezionale a causa della limitazione descritta dalla seconda legge della termodinamica. Pertanto, questo risultato dimostra la differenza critica tra movimenti casuali di equilibrio e non equilibrio. Recentemente, il gruppo di autori ha dimostrato un ingranaggio che gira su un letto granulare su un disco vibrante22. In entrambi i casi, le particelle solide (batteri e granuli) si sono scontrate con la parete laterale del cricchetto provocandone la rotazione. Per entrambi i sistemi, non appare una rotazione unidirezionale per un ingranaggio con forma simmetrica. La direzione di rotazione è determinata principalmente dalla forma asimmetrica dell'ingranaggio. Pertanto, ogni volta che viene utilizzato lo stesso tipo di ingranaggio, la direzione di rotazione è la stessa in entrambi i casi. Generalmente, le particelle collidono casualmente con il cricchetto e le collisioni che producono una coppia rotazionale maggiore determinano la direzione di rotazione. Indipendentemente dal fatto che le particelle in collisione siano organismi viventi o materia inorganica attivata, sembra esistere un meccanismo comune. Pertanto, nella maggior parte dei casi, la direzione di rotazione è determinata dalla forma asimmetrica degli ingranaggi.

Tuttavia, la direzione del movimento di un motore a cricchetto non è sempre determinata esclusivamente dalla forma del cricchetto. Sono stati riportati studi teorici sul movimento inverso e il movimento reversibile con un substrato a cricchetto è stato studiato come un argomento caldo23,24, ad esempio il cricchetto Magnus25,26. In questo studio, lo stesso tipo di ingranaggio utilizzato per il letto granulare vibrante è stato posizionato su un letto ad acqua vibrato verticalmente. L'ingranaggio mostrava una rotazione unidirezionale entro un intervallo ristretto di frequenze di vibrazione e diametri degli ingranaggi. Sorprendentemente, la direzione di rotazione era opposta a quella posta su un letto granulare o in un mezzo batterico vivente. In questo studio, mostriamo la differenza nei mezzi di agitazione tra questioni discrete e continue.