دانشمندان اخیراً موفق به شناسایی یک الگوی اشتراکی پیش‌بینی نشده در حرکت دسته‌جمعی باکتری‌ها و الکترونها شدند. همچنان‌که یک جریان میلیونی از باکتری‌ها از میان یک شبکه میکروسیالی جریان می‌‌یابد، باکتری‌ها به‌صورت هماهنگ و مشابه الگو چرخش الکترونها اطراف هسته اتم در یک ماده مغناطیسی حرکت میکنند.
به گزارش پایگاه خبری تحلیلی فناوری و نوآوری، چندین الگو و نقش جهانی مشخص در طبیعت وجود دارد که صرف‌نظر از اندازه، گونه یا محیط اشیاء به‌کار گرفته می‌شوند. به‌عنوان مثال، فراکتال‌های شاخه‌ای هم در اندام درخت و هم در رگ‌های خونی یافت می‌شود و به طور شگفت‌آوری الگوهای مارپیچی در حلزون و گل‌کلم مشابه به یکدیگر است.
دانشمندان دانشگاه MIT و کمبریج موفق به شناسایی یک الگوی اشتراکی پیش‌بینی نشده در حرکت دسته‌جمعی باکتری‌هاو الکترونها شدند: همچنان‌که یک جریان میلیونی از باکتری‌ها از میان یک شبکه میکروسیالی جریان می‌‌یابد، باکتری‌ها به‌صورت هماهنگ و مشابه الگو چرخش الکترونها اطراف هسته اتم در یک ماده مغناطیسی حرکت میکنند.
محققان متوجه شدند که توسط تنظیم ابعاد ویژه شبکه میکروسیال، قادر به هدایت میلیون‌ها میکروب در یک جهت مشخص خواهند بود، مشابه روشی که الکترونها در یک جهت چرخش میکنند هنگامی‌که یک میدان الکتریکی ایجاد میکنند. با اعمال تغییرات اندک به شبکه، گروهی از باکتری‌ها در جهت مخالف حرکت میکنند که مشابه حرکت الکترونها در یک ماده غیرمغناطیس است. همچنین محققان موفق به شناسایی یک مدل ریاضی برای حرکات باکتری‌ها و الکترونها شدند. این مدل از یک تئوری میدان شبکه که به‌طور معمول برای توصیف رفتار کوانتومی الکترونها در مواد مغناطیسی و الکترونیکی استفاده می‌شود، استخراج شده‌است. محققان این پروژه، این مدل پیچیده را به یک مدل بسیار ساده‌تر (مدل textbook) تبدیل کردند که پیش‌بینی می‌کند یک انتقال فاز، یا یک تغییر در جهت حرکت باید از طریق تغییر در ابعاد شبکه اتفاق بیفتد.
دانکل استادیار ریاضی کاربردی در MIT می‌گوید: « مشاهده این پدیده جهانی و عمومی بسیار شگفت‌انگیز است. نکته جالب این است که شما یک سیستم زنده دارید که تمام رفتارهایی را که در سیستم‌های کوانتومی مشاهده می‌کنید، دارا هستند.»
این محققان نتایج مطالعات خود را در نشریه Nature Physics چاپ کردند.
دانکل می‌گوید: « ما به طور کلی علاقه‌مند به این بودیم که بدانیم میکروب‌ها چگونه با سطوح به صورت منفرد و دسته‌جمعی واکنش می‌دهند و چگونه سطوح، میکروارگانیسم‌ها را هدایت میکنند.»
در آزمایشات اولیه، پژوهشگران باکتری‌ها را درون استخرها یا چاه‌های کوچکتر قرار دادند و الگوهای شنا کردن و حرکت آنها را مشاهده کردند. در چاه‌های بزرگتر، میکروب‌ها تمایل به حرکت به صورت بی‌نظم دارند. در چاه‌های بسیار کوچکتر با عرض تقریبی 70 میکرون، هزاران باکتری به صورت منظم و به صورت مارپیچی در یک جهت برای مدت زمان طولانی شنا و حرکت میکنند.
در مطالعه جدید، محققان حرکت باکتری‌ها را از درون یک آرایه بهم اتصال یافته از این چاه‌های کوچک مشاهده کردند. این شبکه ساخته شده از پلیمر شفاف شبه لاستیک از 100 چاه تشکیل شده‌است که هر کدام دارای عرض 70 میکرونی است که توسط یک کانال کوچک به چاه همسایه اتصال یافته است. محققان باکتری‌ها را درون سیستم تزریق کردند و جهت حرکت باکتری‌ها را در هر چاه مشاهده کردند. این دانشمندان متوجه شدند از طریق اعمال یک تغییر در یک اندازه کلیدی (قطر کانال‌های اتصال دهنده که اندازه شکاف (gap size) نامیده می‌شود) می‌توان حرکت باکتری‌ها را دست‌کاری کرد. اگر این شکاف بسیار کوچک باشد، باکتری‌های درون یک چاه به صورت مارپیچ، مخالف جهت حرکت باکتری‌ها در چاه‌های همسایه مجاور حرکت میکنند، مشابه چرخش‌های متناوبی الکترونها در یک ماده غیرمغناطیسی. اما هنگامی که اندازه شکاف 8 میکرون یا بزرگتر بود، محققان یک انتقال فاز مشاهده کردند که در آن باکتری‌ها در همه چاه‌ها در یک جهت می‌چرخند همانند الکترون‌های منظم شده در یک میدان مغناطیسی.
با بررسی کردن دقیق‌تر این انتقال فاز، دانشمندان متوجه شدند که یک اندازه شکاف بزرگتر این امکان را فراهم می‌سازد تا باکتری‌های بیشتری از یک چاه به چاه همسایه حرکت کنند. این حرکت باکتری‌ها بین چاه‌ها یک «جریان لبه‌ای» یا یک جریان از باکتری‌ها در لبه‌های هر چاه ایجاد می‌کند که به نوبت باعث حرکت باکتری‌های درون قسمت میانی چاه در جهت مخالف می‌شوند. نتیجه کلی این است که اکثر باکتری‌های درون هر چاه در یک جهت یکسان اما در خلاف جهت لبه‌ای حرکت میکنند.
منبع : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=42238.php
