Desde el enjambre de abejas hasta la agrupación de colonias de bacterias, la naturaleza aturde con su capacidad de autoorganizarse y realizar comportamientos colectivos y dinámicos. Ahora los investigadores han encontrado una manera de imitar estos comportamientos en materiales activos en la microescala, variando un solo parámetro.
Erik Luijten de la Universidad del Noroeste y Steve Granick del Instituto de Ciencias Básicas de Corea IBS y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan demostraron control sobre las interacciones entre las esferas microscópicas, lo que hizo que se autopropulsaran en enjambres, cadenas y grupos.Dichas partículas activas podrían abrir una nueva clase de tecnologías con aplicaciones en medicina, química e ingeniería, así como avanzar en la comprensión fundamental de los científicos del comportamiento colectivo y dinámico en los sistemas.
"Hemos identificado los ingredientes mínimos necesarios para todos estos comportamientos diferentes", dijo Luijten, profesor de ciencias de los materiales e ingeniería y ciencias de la ingeniería y las matemáticas aplicadas en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Ahora podemos cambiar cómo se mueve este sistema dinámico."
"Estamos dando pequeños pasos para alentar un comportamiento realista en los materiales", dijo Granick, quien dirige el Centro de Materia Suave y Viviente del SII. "Ya estamos comenzando a ver que los materiales activos pueden comportarse de manera inteligente".
Con el apoyo del Instituto Coreano de Ciencias Básicas, el Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y el Centro de Investigación de Materiales de Northwestern, la investigación se describe en línea el 11 de julio Materiales de la naturaleza . Ming Han, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Luijten, y Jing Yan, un ex estudiante de posgrado en la Universidad de Illinois, fueron los primeros autores del artículo.
Luijten y Granick enfatizaron la importancia del trabajo en equipo ya que este descubrimiento actual es parte de una colaboración de mucho tiempo utilizando una nueva clase de partículas de materia blanda llamadas coloides Janus, que Granick desarrolló previamente en su laboratorio. El equipo de Luijten completó las simulaciones teóricas por computadora, y Granick usó sus coloides para probar experimentalmente el comportamiento colectivo y dinámico en el laboratorio.
"Esto realmente fue un trabajo conjunto", dijo Luijten. "Sin la contribución experimental o computacional, no habría tenido éxito".
Llamadas así por el dios romano con dos caras y típicamente suspendidas en solución, las esferas del tamaño de micras tienen interacciones atractivas en un lado y están cargadas negativamente en el otro.
"Los coloides son un gran sistema modelo", dijo Luijten. "Los materiales reales, como las moléculas, son muy difíciles de ver y manipular. Estos coloides tienen comportamientos similares pero en escalas de tiempo y escalas de longitud a las que podemos acceder. Aunque sonsimple, su comportamiento es representativo de los sistemas "
Al someter los coloides a un campo eléctrico, las interacciones electrostáticas entre los dos lados de las esferas autopropulsadas podrían ser manipuladas. Algunos experimentaron repulsiones más fuertes entre sus lados orientados hacia adelante. Otros experimentaron lo contrario. Y otro conjunto permaneció en algún lugaren el medio. Este desequilibrio causó que las partículas autopropulsadas "nadan" y se autoorganicen en uno de cuatro patrones diferentes: un gas aleatorio, enjambres, grupos o cadenas.
Para evitar colisiones de cabeza a cabeza, las partículas repulsivas de la cabeza nadaron una al lado de la otra, alineándose en enjambres. Las partículas repulsivas de la cola colocaron sus colas separadas, juntando sus cabezas para formar grupos. Y nadadores con iguales y-cargas opuestas se atraen entre sí en cadenas conectadas.
"Este tipo de comportamiento nunca antes se había visto en un solo sistema", dijo Luijten. "Pudimos demostrar todas estas diferentes clases de comportamiento en un solo sistema girando una sola perilla".
Este descubrimiento podría tener varias aplicaciones en la administración, detección o incluso microrobótica de drogas. Una droga podría colocarse dentro de partículas, por ejemplo, que se agrupan en el lugar de entrega. O podrían detectarse cambios en el entorno si el sistema cambia repentinamentedesde enjambres hasta formar cadenas.
"Si desea completar tareas en la escala de micras, es difícil insertar un chip en una partícula o programar una partícula tan pequeña", dijo Han. "Por lo tanto, es necesario encontrar la forma más sencilla de controlar todos esos patrones".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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