In turbulenten Flüssigkeiten vermischen sich Komponenten ohne Schwierigkeiten. In zähflüssigeren Medien, wie sie im Zellinneren vorkommen, ist dieser Prozess jedoch deutlich schwieriger, obwohl er für die korrekte Funktion der Zelle unerlässlich ist. Da Zeit in solchen Systemen ein entscheidender Faktor ist, genügt die langsame Vermischung durch die bloße Bewegung von Molekülen nicht. Es sind daher effiziente Mechanismen notwendig, um die Funktionalität zu gewährleisten.
Forschende der Abteilung „Physik lebender Materie“ am MPI-DS haben die universellen physikalischen Prinzipien hinter solchen Mischprozessen untersucht. Sie identifizierten dabei Mechanismen, die eine optimale Vermischung des Systems ermöglichen, selbst wenn die Energiekosten oder die Bewegung der Flüssigkeit begrenzt sind.
In viskosen Flüssigkeiten wie Honig, in denen keine Turbulenz auftritt, ist eine echte Vermischung schwierig, da sie ein Zusammenspiel aus äußerer Rührbewegung und molekularem Rauschen erfordert. Da verschiedene Rührtechniken unterschiedliche Vermischungsgrade erzielen, liegt die Frage nahe, welches unter bestimmten Bedingungen das optimale Rührverfahren ist.
„Wir haben festgestellt, dass die effektivsten Rührstrategien eine universelle Struktur aufweisen und zeitlich symmetrisch sind”, sagt Luca Cocconi, Erstautor der Studie. „Diese optimierten Protokolle zeigen eine grundlegende Grenze auf, wie effizient Informationen – beispielsweise über die Identität und Position von Partikeln – in solchen Systemen gelöscht werden können.“
„Wir konnten explizite Ergebnisse ableiten, ohne auf Simulationen zurückgreifen zu müssen“, erklärt Andrej Vilfan, Letztautor der Studie. „Das ist bemerkenswert, da solche Optimierungsprobleme oft nicht analytisch lösbar sind“, fährt er fort.
Insgesamt erweitert die Studie das Verständnis der Mischdynamik in zellulären und mikrofluidischen Systemen. Gleichzeitig liefert sie theoretische Rahmenbedingungen, die bei der Entwicklung effizienter Mischstrategien in der Mikrotechnik hilfreich sein können.
Quelle
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (09/2025)
Publikation
Luca Cocconi, Yihong Shi, and Andrej Vilfan
Information-Optimal Mixing at Low Reynolds Number
Phys. Rev. Lett. 135, 037101
https://dx.doi.org/10.1103/cl9m-cmhb