液晶微滴作为多功能微扫描器

大自然中最常见的游泳者是单细胞生物，例如向光源游动的微藻类和向卵子游动的精子细胞。对于物理学家来说，细胞只是简单的生化机器，必须遵守化学和物理学中描述得很好的定律。因此，科学家可以在不调用生物学的情况下创造出栩栩如生的游泳微型机器吗?

在物理学家科琳娜·马斯(Corinna Maass)的带领下，马克斯·普朗克动力学与自组织学院的“主动软物质”小组致力于从纯液体成分中创造出软模型游泳者。他们最近创造了带有封闭隔室的稳定，自推和可操纵的飞沫游泳者。他们的结果发表在《物理评论快报》上。

像细胞一样的人工微游泳器可以提供新的令人兴奋的应用，例如，游泳的微观药物传递系统，该系统可以自我引导向目标器官，然后被人体无害吸收。此外，纯物理微泳者可以提供模型来理解控制生物游泳者的物理原理。通过使用最大程度简化的模型游泳者，CorinnaMaaß和她的小组测试了活细胞的哪些组件和机制对于提供特定功能可能是唯一必要的。

“我们的人造细胞原型必须满足几个要求：它们必须自发地自我推进;它们必须能够容纳用于运输货物的隔间或作为化学反应的基础;它们必须是可控的，因此我们可以有选择地选择它们的操作方式以及在什么条件下放行货物。”Maaß解释说。

与她的同事Babak Vajdi Hokmabad和Kyle Baldwin一起，她成功地完成了这一任务，使用了一个非常简单的系统：他们生产的油壳包裹了一个或多个内部水核或所谓的活性双重乳液。如果允许这些液滴缓慢地溶解在浓缩的表面活性剂或肥皂溶液中，它们可能会自发开始运动，从某种意义上说，表面活性剂起着支持液滴运动直至完全溶解的作用。

稳定的液晶滴

通常，这种乳剂在油和水随时间推移而分解时是不稳定的，这种作用在日常生活中可看作是醋汁中的油oil析物。类似地，当内芯朝液滴边界扫掠时，活性双乳化液游动剂一旦移动就容易破裂。通过选择液晶作为外壳材料，该团队能够阻止外壳破裂。

液晶是与普通油以相同方式流动的油，但是油分子以有序的方式排列，这更倾向于将水核置于液滴的中心。如果在运动过程中将型芯扫到边缘，则阶次变形会提供一个力，将其向中心轻推。Christian Bahr的数值模拟表明，这种能垒确实足以稳定外壳。相比之下，研究小组的实验表明，只有液晶壳能够保持稳定，而由普通油脂制成的壳几乎在开始游泳后立即破裂。

无核，单核和双核液滴。信用：©MPIDS / C。马斯

猫头鹰飞沫和锯齿运动

然后，稳定的贝壳会游动长达几个小时，在溶解时会收缩，直到变得太薄并破裂为止。在这段时间里，它们的动作引人入胜-它们不是直线游泳，而是让人联想到鱼翅错综复杂的曲折。Babak Vajdi Hokmabad说：“这也可以追溯到基本物理学。如果核相对于壳的运动方向是偏离轴的，它将经历一个扭矩，迫使其弯曲成一条曲线，最终将其引导回到曲面上。它自己的踪迹。该踪迹包含用尽的燃料，该燃料再次排斥液滴。扭矩反向，并且液滴的弯曲运动也反向。”

此外，该小组证明了这种弯曲行为可以任意关闭-如果壳体包含两个核心，则它们围绕运动轴对称排列。在这种情况下，没有扭矩，壳体会直线游动。凯尔·鲍德温说：“在极化显微镜下，这些双核壳的外观非常像猫头鹰。”

科学家想出了更多的方法来引导游泳者-水滴附着在墙上，这样人们就可以建造一条“水滴铁路”，并寻找燃料密度更高的区域。

灵活可操纵的游泳者

这些特性使这些贝壳成为极佳的仿生模型游泳者-它们的大小，速度和可变形性与实际的生物游泳者相当，但没有任何复杂的生化成分。它们的运动是由基本和优雅的物理定律以及自发性的对称性决定的，通过控制这些对称性，研究人员还可以控制游泳行为。

Maaß说：“双重乳化剂的一个关键优势是，芯不参与运动机理，也不溶解。” “因此，我们可以对其进行功能化，以携带化学试剂或蛋白质或酶等生物构件，并在某个时候真正复制生命的物理原理。”