Las bandadas de estorninos que producen patrones deslumbrantes en el cielo son ejemplos naturales de materia activa:grupos de agentes individuales que se unen para crear dinámicas colectivas. En un estudio que aparece en la portada del número del 6 de marzo de la revista Ciencias , un equipo de investigadores que incluye a físicos de la Universidad de Brown revela nuevos conocimientos sobre lo que sucede dentro de los sistemas de materia activa.

La investigación describe experimentos que utilizan un nemático activo tridimensional. Nematic describe un estado de la materia que emerge en el tipo de cristales líquidos ampliamente utilizados en pantallas de teléfonos inteligentes y televisores. Las moléculas en forma de cigarro en los cristales líquidos pueden moverse como en un líquido, pero tienden a permanecer más o menos ordenados en la misma dirección, un poco como un cristal.

En un cristal líquido normal, las moléculas son pasivas, lo que significa que no tienen la capacidad de autopropulsarse. Pero el sistema involucrado en este nuevo estudio reemplaza esas moléculas pasivas con pequeños haces de microtúbulos, cada uno con la capacidad de consumir combustible y propulsarse. El objetivo de la investigación fue estudiar cómo esos elementos activos afectan el orden del sistema.

"Estos microtúbulos tienden a alinearse, sino que también destruyen continuamente su propio orden de alineación con su movimiento, "dijo el coautor del estudio, Daniel Beller, profesor asistente de física en la Universidad de California, Merced, quien comenzó a trabajar en la investigación mientras era investigador postdoctoral en Brown. "Entonces hay movimientos colectivos que crean defectos en la alineación, y eso es lo que estudiamos aquí ".

A medida que el sistema evoluciona, los defectos parecen cobrar vida en algún sentido, creando líneas, bucles y otras estructuras que serpentean a través del sistema. Los investigadores estudiaron las estructuras utilizando topología, una rama de las matemáticas que se ocupa de cómo las cosas se deforman sin romperse.

"Si su objetivo es comprender la dinámica de estos sistemas, Entonces, una forma de hacerlo es centrarse en estas estructuras topológicas emergentes como una forma de caracterizar la dinámica, "dijo Robert Pelcovits, profesor de física en Brown y coautor del estudio. "Si podemos obtener principios rectores de este sistema simple, eso podría ayudarnos a guiarnos en la comprensión de los más complicados ".

Beller, Pelcovits y Thomas Powers, profesor de ingeniería y física en Brown, Dirigió el trabajo teórico para el estudio. El trabajo experimental fue realizado por investigadores de la Universidad Brandeis y la Universidad de California, Santa Bárbara. Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización, la Universidad de Chicago, Brandeis y la Universidad Tecnológica de Eindhoven contribuyeron con su experiencia en modelos informáticos.

Este tipo de trabajo se ha realizado en sistemas bidimensionales, pero esta es la primera vez que se estudia un sistema 3-D de esta manera. La investigación mostró que las estructuras topológicas dominantes en el sistema eran estructuras de bucle que emergen espontáneamente, expandirse y luego auto-aniquilarse.

Los bucles están relacionados con los tipos de defectos que surgen en sistemas 2-D mejor estudiados, pero difieren de manera clave, dicen los investigadores. En 2-D, los defectos surgen en pares de puntos que tienen características opuestas o "cargas, "un poco como partículas y antipartículas. Una vez que se forman, existen hasta que finalmente se topan con un defecto con la carga opuesta, lo que los hace aniquilar.

Los bucles que se forman en 3-D, a diferencia de, no tienen cargo. Como resultado, se forman y aniquilan por sí mismos. Todavía están relacionados con las estructuras de defectos 2-D, sin embargo. De hecho, los bucles 3-D pueden considerarse extensiones de defectos puntuales 2-D. Imagine dos defectos puntuales sobre una superficie bidimensional. Ahora conecta esos dos puntos con un arco que se eleva fuera de la superficie 2-D, y un segundo arco en la parte inferior de la superficie. El resultado es un bucle que tiene ambas cargas de los puntos, pero en sí mismo es de carga neutral. Eso permite la nucleación y la aniquilación por sí mismos.

Los investigadores tienen la esperanza de que esta nueva comprensión de la dinámica de este sistema sea aplicable en sistemas del mundo real como las colonias de bacterias, estructuras y sistemas en el cuerpo humano, u otros sistemas.

"Lo que encontramos aquí es un conjunto bastante general de comportamientos que creemos que estarán completamente presentes en sistemas similares que tienen esta tendencia a alinearse, pero que también están convirtiendo la energía almacenada en movimiento, "Dijo Beller.