Итальянские специалисты разработали технологию, которая позволяет извлекать энергию из хаотического движения бактерий.

Полимерная шестерня с асимметричными зубцами

Идею о том, что свободно передвигающиеся бактерии могут вращать объекты определенной формы, авторы высказали чуть больше года назад; их аргументы изложены в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters. По предположению ученых, крутящий момент должны создавать бактерии, которые попадают на зубец шестерни, перемещаются вдоль него, а затем «упираются» в соседний зубец.

Для того чтобы проверить свои выкладки на практике, исследователи изготовили полимерные шестерни с внешним диаметром 48 и толщиной 10 мкм из фоторезиста SU-8 и поместили их в суспензию живых бактерий. Как оказалось, E. coli действительно могут задерживаться в углах, образованных двумя зубцами, на несколько десятков секунд; шестерня, на которую они воздействовали, вращалась со скоростью около одного оборота в минуту. Создаваемый бактериями крутящий момент был оценен в 10 пН•мкм.

Механизм вращения шестерни. Бактерии движутся белыми частями вперед; черными стрелками показаны силы, с которыми они воздействуют на зубцы. Крутящий момент создает бактерия, которая попадает в угол, образованный зубцами.

В будущем ученые планируют продолжить эксперименты с различными штаммами E. coli и объектами разных геометрических форм, рассчитывая значительно увеличить скорость их вращения: в описанном эксперименте край зубца передвигался с линейной скоростью в 2,5 мкм/с, в то время как средняя скорость перемещения бактерий составляет 20 мкм/с. Авторы отмечают необходимость рассмотрения шестеренок другой формы, а также других видов бактерий. Несмотря на невысокий КПД текущей разработки, ученые полагают, что сама технология извлечения энергии из бактериального «супа» имеет большие перспективы.

Сверху: вращение шестерен с асимметричными (зеленая и синяя линии) и симметричными зубцами. В середине: график изменения скорости вращения шестерни с асимметричными зубцами. Серая линия на графике соответствует вращению шестерни при отсутствии бактерий. Внизу: график изменения скорости вращения шестерни с симметричными зубцами.

Препринт статьи