[논문 리뷰] Swimming in a Crystal: Hydrodynamic, Phoretic and Steric Interactions

Aidan T. Brown, Ioana D. Vladescu외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 25.

Micro and Nano Robotics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2차원 콜로이드 결정 내에서 촉매성 장누스 스위머와 대장균 박테리아의 유체역학적, 프로티크, 그리고 스테릭 상호작용을 조사한다. 장누스 스위머는 유체역학적 상호작용로 인해 주기적인 궤도 속도 진동을 보이며, 이는 '푸셔'로 작용한다는 것을 시사한다. 반면, 대장균 박테리아는 결정의 협소한 기하학적 구조에서 회전할 수 없어 원형 운동에서 직선 주행으로 전이된다.

ABSTRACT

We study catalytic Janus swimmers and E. coli bacteria in a 2D colloidal crystal. The Janus swimmers orbit individual colloids and hop between colloids stochastically. Their orbital speed oscillates periodically. We show why swimming-associated phoretic gradients are unlikely to be the cause of these oscillations; instead, they are likely due to hydrodynamic interactions, and suggest that our swimmers are `pushers'. We find little evidence implicating hydrodynamic interactions in the stability of the orbital trapping itself. Motile E. coli bacteria behave very differently in the same colloidal crystal: their circular orbits on plain glass are rectified into long, straight runs, because the bacteria are unable to turn corners inside the crystal.

연구 동기 및 목표

• 2차원 콜로이드 결정 내에서 촉매성 장누스 스위머의 주기적인 궤도 속도 진동의 기원을 이해하는 것.
• 장누스 스위머의 역학에서 프로티크 기울기와 유체역학적 상호작용 중 어느 것이 주로 지배하는지 규명하는 것.
• 콜로이드 결정 내 기하학적 구속이 박테리아의 운동 패턴에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 유사한 구조적 환경에서 장누스 스위머와 대장균의 상이한 운동 행동을 비교하는 것.
• 스테릭, 유체역학적, 프로티크 힘이 궤도 포획을 안정화하는 데 수행하는 역할을 평가하는 것.

제안 방법

• 2차원 콜로이드 결정 격자 내에서 촉매성 장누스 스위머와 운동성 대장균 박테리아의 실험적 관찰.
• 개별 스위머와 박테리아의 트래킹을 통해 궤도 궤적, 속도, 회전 행동 측정.
• 프로티크와 유체역학적 기원을 구분하기 위해 궤도 속도 진동 분석.
• 평판 유리 표면 대비 콜로이드 결정 내에서의 운동 패턴 비교를 통해 정렬 효과 평가.
• 대칭성과 유속장 분석을 통해 장누스 스위머의 푸셔 유사 행동 추론.
• 특히 격자 정점에서의 기하학적 구속으로 인한 대장균의 회전 제한 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 콜로이드 결정 내 장누스 스위머의 궤도 속도에 나타나는 주기적 진동은 무엇에 기인하는가?
• RQ2 관측된 진동에 대해 프로티크 기울기인지 유체역학적 상호작용이 주로 기여하는가?
• RQ3 유체역학적 상호작용이 콜로이드 주위의 궤도 포획 안정성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 콜로이드 결정 격자가 평판 표면 대비 대장균의 운동성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 왜 대장균 박테리아는 결정 구조에서 원형 주행에서 직선 궤적으로 전이되는가?

주요 결과

• 장누스 스위머의 궤도 속도 주기적 진동은 프로티크 기울기 때문이 아니라 유체역학적 상호작용 때문으로 보이며, 이는 기원으로서의 유체역학적 상호작용을 지시한다.
• 주기적 역학적 동역학에서 유도된 유체역학적 유동 서명을 바탕으로 장누스 스위머는 '푸셔'로 확인된다.
• 유체역학적 상호작용는 궤도 포획을 안정화하는 데 크게 기여하지 않으며, 이는 스테릭 또는 기타 힘이 포획 안정성의 주요 기여 요소임을 시사한다.
• 대장균 박테리아는 콜로이드 결정 내에서 모서리에서의 회전 능력을 상실하여 원형 궤도 대신 정렬된 장거리 직선 주행을 보인다.
• 대장균에서 원형 운동에서 직선 운동으로의 전이는 결정 격자의 기하학적 구속의 직접적인 결과이다.
• 이 연구는 합성 장누스 스위머와 생물학적 박테리아가 구조적 환경에 대해 어떻게 다르게 반응하는지의 근본적인 차이를 보여준다.