RICERCA ITALIANA     

23 Febbraio 2009

Batteri in movimento per produrre energia

Sfruttare in modo semplice il moto dei batteri per produrre energia, è il risultato al quale sono giunti ricercatori dell'Infm-Cnr, con uno studio pubblicato su Physical Review Letters.

Questa scoperta potrebbe rivelarsi preziosissima in applicazioni ad alta miniaturizzazione, come gli impianti micromedicali, azionando motori di dimensioni ridottissime.

Trovare un modo per mettere al lavoro i batteri, come fossero animali da soma microscopici per sfruttare l'energia del loro movimento. E farlo nel modo più semplice possibile, in modo da renderne fattibile l'uso in apparati ad alta miniaturizzazione. È questa la direzione indicata dal risultato del lavoro dei ricercatori di INFM-CNR, che simulando sistemi di batteri in soluzione hanno individuato un modo per creare “motori batterici” dal funzionamento prevedibile, costante, e in grado di avviarsi senza intervento umano.

Curiosità scientifica fino a pochissimo tempo fa, i motori batterici sono diventati un campo di intensa ricerca da quando nel 2006 se ne è dimostrata la fattibilità in Giappone.

Si spera di poterne sfruttare le potenzialità in un futuro prossimo, per alimentare apparecchi microscopici, come impianti micromedicali o nanodispositivi ancora tutti da inventare, per i quali i motori batterici potrebbero fornire una fonte di energia economica e di dimensioni ridottissime. Un motore batterico è composto, oltre che di microrganismi, di due altri ingredienti: la soluzione in cui sono immersi, e particolari microingranaggi che i batteri possono mettere in movimento. È proprio da questi ingranaggi (come dall'albero di un motore automobilistico) che si progetta di estrarre energia. E le difficoltà per farlo nel modo più semplice possibile sono state superate da Luca Angelani, del laboratorio SMC di INFM-CNR, e Roberto di Leonardo e Giancarlo Ruocco, del laboratorio SOFT di INFM-CNR.

Se nel 2006 si sono utilizzati batteri geneticamente modificati e microingranaggi con leganti biochimici, con costi altissimi e rese bassissime, oggi grazie al loro lavoro si inverte il risultato: costi azzerati, e rendimento moltiplicato.

La soluzione consiste nell'utilizzo di microingranaggi di una particolare forma asimmetrica, con denti di lunghezze differenti e orientati nella medesima direzione, simili a stelle lievemente sbilenche.
È sufficiente immergere questi ingranaggi in una soluzione di batteri, perché questi ultimi col loro movimento spontaneamente li facciano girare a velocità costante (nella simulazione, batteri di escherichia coli imprimevano ai microingranaggi una velocità costante di due giri al minuto). La somma di batteri e ingranaggi asimmetrici è l'unica vincente: particelle inanimate soggette al moto casuale non causano il movimento, e lo stesso accade per batteri al “lavoro” su ingranaggi simmetrici. I ricercatori hanno identificato il modo più semplice per “costringere” i batteri a compiere lavoro utile da cui estrarre energia. Alcune applicazioni resteranno certo fantasia (i calcoli, ad esempio, suggeriscono che con i batteri presenti in un metro cubo di soluzione si può generare potenza sufficiente per accendere una normale lampadina), ma moltissime altre possono venire immaginate: che siano apparecchiature mediche, di misurazione, controllo o altro, la strada è aperta perché i batteri possano alimentare i microdispositivi del futuro.

Per saperne di più, abbiamo rivolto alcune domande ai ricercatori:

Quando è iniziata e quando si è conclusa la ricerca?
Abbiamo iniziato a lavorare su queste tematiche verso la fine del 2007. I primi risultati teorico/numerici li abbiamo ottenuti nell'estate del 2008 e proprio in quel periodo abbiamo sottomesso l'articolo alla rivista internazionale Physical Review Letters su cui è apparso a gennaio di questo anno. Questo è solo l'inizio di un percorso di ricerca a cui intendiamo dedicare gran parte della nostra attività di ricerca nel prossimo futuro.

Quanti ricercatori ha visto impegnati?
Il lavoro in questione, relativo all'ideazione e alla realizzazione del modello numerico ha visto impegnati i tre ricercatori, Luca Angelani, Roberto Di Leonardo e Giancarlo Ruocco. La verifica sperimentale (coordianta da Roberto Di Leonardo) su cui stiamo lavorando in questo periodo, prevede anche la partecipazione di ricercatori del laboratorio BIONEM dell'Università Magna Graecia di Catanzaro (Enzo Di Fabrizio, Federico Mecarini, Francesco De Angelis) per la realizzazione dei microoggetti delle dimensioni di qualche centesimo di millimetro e del Dipartimento di Scienze e Sanità Pubblica della Sapienza (Valerio Iebba, Maria Pia Conte, Serena Schippa) per la parte biologica relativa alla coltivazione dei campioni batterici.

Quali saranno i prossimi passi da compiere?
Come detto stiamo compiendo i primi esperimenti per verificare se il comportamento da noi predetto si verifichi effettivamente e con quale efficienza nel mondo reale. I primi risultati sembrano dare un accordo sorprendentemente buono con quanto previsto dal modello numerico semplificato. Dopo tutto come fisici siamo abituati a lavorare con modelli semplificati della realtà, in cui si trascurano molti effetti che si ritengono secondari ma che nella realtà potrebbero non esserlo; una non perfetta adesione con quanto aspettato rientra quindi nel computo delle normali aspettative.
Nel caso in esame sembra proprio che si abbia un accordo quantitativo sin nei minimi dettagli, cosa che ci conforta nella giustezza delle approssimazioni fatte nella modellizzazione e simulazione al calcolatore. Partendo dal risultato ottenuto tutta una serie di ulteriori approfondimenti si rendono necessari, quali lo studio della realizzazione ottimale per l'efficienza del motore, oppure lo studio del comportamento di micro-oggetti di varia forma immersi nel bagno, come oggetti oblungati con asimmetrie opportune.

Il risultato di questa ricerca avrà applicazione solo in campo medico? Quali altri settori potranno beneficiarne?
Prevediamo un possibile utilizzo in tutti quei campi in cui è richiesta una forza propulsiva alle scale micrometriche. Ad esempio nei cosiddetti Lab-on-a-chip, ovvero laboratori biomedicali miniaturizzati in cui sono richieste forze di movimentazione. Oppure per la propulsione di microrobots di opportuna forma delle dimensioni di qualche centesimo di millimetro per applicazioni biologiche, mediche o micro-ingegneristiche. Le possibilità di utilizzo sono quindi ad ampio spettro, e solo una più approfondita analisi della concreta realizzabilità tecnica dei dispositivi ideati potrà indicare quali saranno le applicazioni realmente fattibili e utili.

Come vi siete appassionati a questo studio?
L'idea di applicare le nostre conoscenze di fisica allo studio della cosiddetta "materia attiva" di origine biologica ci stuzzicava la mente oramai da qualche anno e tornava spesso nelle nostre chiaccherate informali. Un po' più di un anno fa abbiamo deciso di impegnarci seriamente in tali ricerche ed abbiamo concentrato l'attenzione sull'affascinante mondo dei sistemi auto-propellenti, quali i batteri mobili. Dal punto di vista del fisico tali sistemi sono un classico esempio di sistema non all'equilibrio caratterizzato dalla presenza di processi irreversibili di trasformazione di energia chimica in energia meccanica: un sistema ideale per studiare dal punto di vista della fisica di base l'interessante mondo dei processi di fuori-equilibrio.
Possiamo quindi dire che la molla di partenza per tali ricerche è stata quella della pura curiosità intellettuale sulla possibilità di descrivere e comprendere i fenomeni studiati e, come spesso accade nella ricerca scientifica, è proprio da tali presupposti che si è giunti alla ideazione del motore batterico in questione e ai suoi possibili impieghi pratici.

Fuori dall'Italia ci sono gruppi di ricerca impegnati in questo ambito, a che punto sono i loro studi?
Qualche anno fa un gruppo di ricercatori giapponesi aveva realizzato un dispositivo costituito da una ruota su cui, attraverso un sistema di micro-canali, venivano fatti aderire dei batteri i quali fungevano quindi da forza propulsiva per far girare l'ingranaggio. Nel nostro caso, tuttavia, c'è un'importante differenza sul principio di funzionamento del micromotore. Esso è infatti "spontaneamente" messo in rotazione dal bagno batterico, senza bisogno di ideare complicate procedure per attaccare i batteri al microdisco: basta dare la forma oppurtuna a questi oggetti per convincere "volontariamente" i batteri a fornire la spinta propulsiva per muoverli.