Un experimento elegantemente simple con partículas flotantes que se autoensamblan en respuesta a las ondas sonoras ha proporcionado un nuevo marco para estudiar cómo surgen comportamientos aparentemente reales en respuesta a fuerzas externas.

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) demostraron cómo las partículas, flotando sobre una solución de glicerina y agua, sincronizar en respuesta a las ondas acústicas emitidas por un altavoz de computadora.

El estudio, publicado hoy en la revista Materiales de la naturaleza , podría ayudar a abordar cuestiones fundamentales sobre la disipación de energía y cómo permite que los sistemas vivos y no vivos se adapten a su entorno cuando están fuera del equilibrio termodinámico.

"El autoensamblaje dinámico en condiciones de no equilibrio no solo es importante en física, pero también en nuestro mundo viviente, "dijo Xiang Zhang, autor correspondiente del artículo y científico principal de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley con un nombramiento conjunto en UC Berkeley. "Sin embargo, los principios subyacentes que rigen esto solo se comprenden parcialmente. Este trabajo proporciona una plataforma simple pero elegante para estudiar y comprender tales fenómenos ".

Para escuchar a algunos físicos describirlo, este estado de desequilibrio, caracterizado por la capacidad de cambiar y evolucionar constantemente, es la esencia de la vida. Se aplica a los sistemas biológicos, de las células a los ecosistemas, así como a ciertos sistemas no biológicos, como el tiempo o los patrones climáticos. El estudio de los sistemas que no están en equilibrio acerca a los teóricos a comprender cómo surge la vida, en particular la vida inteligente.

Sin embargo, es complicado y difícil de estudiar porque los sistemas que no están en equilibrio son sistemas abiertos, Dijo Zhang. Señaló que a los físicos les gusta estudiar cosas que son estables y en sistemas cerrados.

"Demostramos que las partículas 'tontas' individualmente pueden autoorganizarse lejos del equilibrio al disipar energía y emerger con un rasgo colectivo que se adapta dinámicamente y refleja su entorno, "dijo el coautor principal del estudio, Chad Ropp, investigador postdoctoral en el grupo de Zhang. "En este caso, las partículas siguieron el 'latido' de una onda de sonido generada por el altavoz de una computadora ".

Notablemente, después de que los investigadores rompieron intencionalmente la fiesta de partículas, las piezas se volverían a montar, mostrando una capacidad de autocuración.

Ropp señaló que este trabajo podría eventualmente conducir a una amplia variedad de aplicaciones "inteligentes", como el camuflaje adaptativo que responde a las ondas de luz y sonido, o materiales de pizarra en blanco cuyas propiedades se escriben bajo demanda mediante unidades controladas externamente.

Si bien estudios anteriores han demostrado que las partículas son capaces de autoensamblarse en respuesta a una fuerza externa, Este artículo presenta un marco general que los investigadores pueden utilizar para estudiar los mecanismos de adaptación en sistemas que no están en equilibrio.

"La distinción en nuestro trabajo es que podemos predecir lo que sucede, cómo se comportarán las partículas, lo cual es inesperado, "dijo otro coautor principal, Nicolas Bachelard, quien también es investigador postdoctoral en el grupo de Zhang.

A medida que las ondas sonoras viajaban a una frecuencia de 4 kilohercios, las partículas dispersas se movían a aproximadamente 1 centímetro por minuto. En 10 minutos, surgió el patrón colectivo de las partículas, donde la distancia entre las partículas era sorprendentemente no uniforme. Los investigadores encontraron que las partículas autoensambladas exhibían una banda prohibida fonónica, un rango de frecuencia en el que las ondas acústicas no pueden pasar, cuyo borde estaba indisolublemente ligado. o "esclavizado, "a la entrada de 4 kHz.

"Esta es una característica que no estaba presente con las partículas individuales, ", dijo Bachelard." Sólo apareció cuando las partículas se organizaron colectivamente, por eso llamamos a esto una propiedad emergente de nuestra estructura en condiciones de no equilibrio ".

El diseño experimental difícilmente podría haber sido más simple. Para la guía de ondas, los investigadores utilizaron un tubo acrílico de 2 metros de largo que contenía una piscina de 5 milímetros de profundidad de una solución de glicerina y agua. Las partículas estaban hechas de pajitas que flotaban sobre una pieza plana de plástico, y la fuente de sonido provino de parlantes de computadora estándar que los investigadores dirigieron al tubo a través de un embudo de plástico. La medición de las ondas sonoras resultó ser la parte más técnica del experimento.

"Esto es algo que podrías hacer tú mismo en tu garaje, ", dijo Ropp." Fue un experimento muy barato con piezas que están disponibles en la ferretería de la esquina. En un punto, necesitábamos pajitas más grandes, así que salí y compré un poco de té de boba. La configuración fue extremadamente simple, pero mostró la física maravillosamente ".

El experimento se centró en las ondas acústicas porque la insonorización era más fácil de lograr, pero los principios subyacentes al comportamiento que observaron serían aplicables a cualquier sistema de ondas, dijeron los investigadores.

Esta investigación fundamental podría constituir la base para el desarrollo de redes inteligentes que realicen cálculos simples no algorítmicos, con un futuro hacia los sistemas que realizan una toma de decisiones similar a la de los sintientes, dijeron los investigadores.

"Puedo pensar en paralelismos con los cerebros artificiales, con secciones que responden a diferentes 'ondas cerebrales' de frecuencia que son maleables y reconfigurables, "dijo Ropp.