Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, ETH en Zurich y la Universidad de Cambridge han sintetizado y analizado micropartículas activas autopropulsadas en un fluido e invirtiendo su dirección de propulsión dependiendo de la longitud de onda de la luz que ilumina. Recientemente se ha publicado un artículo de investigación que resume su trabajo en Comunicaciones de la naturaleza .

La materia activa engloba sistemas con elementos autopropulsados ​​que extraen energía del medio ambiente y la convierten en energía cinética. Esta es actualmente una disciplina viva en física, abarcando muchas escalas de tiempo y longitud, sobre, p.ej., el comportamiento de las aves en bandadas (como murmullos de estorninos), cardúmenes de peces (como forma de protección contra los depredadores), y también bacterias en biopelículas y otros micro nadadores acuáticos. Se centra tanto en el comportamiento de los elementos individuales como en la comprensión de sus mecanismos de conversión de energía, interacción y acoplamiento con el medio ambiente tan importante para la supervivencia, y sobre los efectos colectivos y aparición de nuevos fenómenos en grandes poblaciones. Ambos pueden describirse con éxito en diferentes niveles de precisión, a partir de modelos simplistas mínimos de grano grueso, y hasta simulaciones numéricas refinadas.

Bacterias algas, espermatozoide, Los ciliados y otros organismos unicelulares son un grupo importante de nadadores activos. Explorar la base física de su dinámica a menudo se complica por su inmensa diversidad, complejidad biológica, y alta sensibilidad a las condiciones externas. El micromundo acuático es, sin embargo, gobernado por las leyes universales de la dinámica de fluidos, que imponen limitaciones a todos los organismos.

Debido a sus pequeños tamaños:micrómetros, típicamente, y velocidades de natación que no excedan decenas de longitudes corporales por segundo, el flujo a su alrededor está dominado por efectos viscosos. Esto significa que las estrategias de natación de los tiburones o de los nadadores olímpicos fallan por completo en la competencia a microescala. La natación a macroescala se basa en la inercia y en empujar el agua hacia atrás rápidamente. En microescala, los efectos de inercia son insignificantes y el agua se comporta como un fluido muy viscoso, como miel o sirope dorado. Imagínese nadar en una piscina llena de miel; una brazada de arrastre sería muy agotador y muy ineficaz. Por eso, Los microorganismos nadadores han ideado otras estrategias de propulsión basadas en el aprovechamiento de la viscosidad. Las bacterias a menudo tienen flagelos helicoidales, que utilizan para "atornillar" el fluido como un sacacorchos. Resulta que en el micromundo viscoso, esta estrategia permite una locomoción eficaz. Organismos más grandes, como los ciliados (y Paramecium entre ellos), tienen cuerpos cubiertos de miles de cilios, asemejándose a un cabello diminuto. Los mueven de forma coordinada, de manera similar a una ola mexicana en un estadio. Esto permite que el fluido se arrastre a lo largo de la superficie de la celda, y como un resultado, la célula se impulsa en la dirección opuesta a la propagación de la onda ciliar.

La comprensión de estos mecanismos ha inspirado el desarrollo de un campo novedoso de micro nadadores sintéticos. La visión de diseñar microrobots en laboratorios ha entusiasmado a los investigadores durante muchos años debido a las aplicaciones potencialmente amplias en el diagnóstico, medicina y tecnología, como la administración de fármacos dirigida dentro del cuerpo del paciente. Desde esta perspectiva, Es de vital importancia no solo diseñar tales nadadores, sino también para controlar su movimiento.

El mecanismo se explota también en organismos multicelulares, p.ej., Los cilios en los pulmones humanos y el tracto reproductivo son esenciales para el transporte de moco. Y ha inspirado a varios nadadores a utilizar el fenómeno de la difusioforesis. Para explicarlo, considere el ejemplo de una partícula de Janus, inspirado en el dios romano de dos caras. Una realización típica es una micropartícula esférica con un hemisferio cubierto de oro, y el otro cubierto de platino. Cuando se coloca en una solución de peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂ ), el lado de platino cataliza la descomposición del peróxido en agua y oxígeno. En consecuencia, la concentración de productos de esta reacción en el hemisferio de platino aumenta, y el desequilibrio de concentración crea un flujo a lo largo de la superficie. De manera similar a los ciliados nadadores, El movimiento del fluido a lo largo de la superficie provoca el movimiento de la celda en la dirección opuesta. Por lo tanto, el sistema convierte localmente la energía química de su entorno en su propia energía cinética. El mecanismo es universal, el ingrediente clave es la concentración no uniforme de los reactivos en la superficie. Es más, los gradientes químicos pueden ser reemplazados por un desequilibrio de temperatura o potencial electrostático. Todos estos mecanismos se han confirmado experimentalmente en sistemas microscópicos. Vale la pena señalar que los tamaños típicos y las velocidades de nado de estos nadadores sintéticos son comparables a sus inspiraciones biológicas. Por lo tanto, mediante la exploración de materia activa artificial, Los científicos obtienen una visión adicional del micromundo de la natación.

Se han propuesto y están disponibles muchos mecanismos de propulsión para la materia activa sintética. El desafío sigue siendo controlar el movimiento de un nadador, o programarlo de modo que pueda llegar a un lugar predefinido y, por ejemplo, entregar un medicamento a una parte elegida del cuerpo. Alternativamente, podría ser dirigido por un estímulo externo, como la radiación electromagnética, campos eléctricos o magnéticos, ondas sonoras, o temperatura no homogénea.

Un paso en esta dirección se presenta en el nuevo artículo de investigadores de la Universidad de Varsovia, ETH en Zúrich, y la Universidad de Cambridge, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza . Demuestra novela, partículas de Janus modificadas, moviéndose en un fluido bajo la influencia de iluminación externa, con la dirección del movimiento dependiendo de la longitud de onda de la luz incidente. Las partículas con un diámetro de 3,5 micrones se hicieron a partir de anatasa, un polimorfo de dióxido de titanio, con un hemisferio recubierto de oro. Cuando se ilumina con luz verde visible, las partículas se mueven hacia el casquete de oro, mientras que cuando se expone a la luz ultravioleta, invierten su dirección de movimiento. Las partículas fueron sintetizadas por el Dr. Hanumantha Rao Vutukuri y el Prof. Jan Vermant en ETH Zurich, donde se realizaron todos los trabajos experimentales.

"Al cambiar la longitud de onda de la luz, activamos diferentes mecanismos catalíticos en las superficies de las partículas, mediante el cual podemos dirigir rápidamente el movimiento de una manera controlada '', dice el Dr. Maciej Lisicki de la Facultad de Física, Universidad de Varsovia. "Es más, Vemos dinámicas colectivas muy interesantes:las partículas se pueden atraer o repeler entre sí, dependiendo de su orientación relativa y del color de la luz que ilumina. Sintonizando esto, observamos procesos rápidos de fusión y fisión, que podemos dirigir ".

La descripción del movimiento en tal sistema requiere considerar tanto las interacciones químicas de las partículas a través de sus campos de concentración no homogéneos de los reactivos creados en sus superficies, así como el flujo hidrodinámico provocado por su presencia. El modelo teórico que permite describir la dinámica de estas nuevas partículas activas fue construido por el Dr. Maciej Lisicki (Varsovia) y el Prof. Eric Lauga (Cambridge).

"En tamaños micrométricos, pensamos que el fluido alrededor de las partículas es muy viscoso, ", dice Maciej Lisicki." Sus interacciones hidrodinámicas son de largo alcance. Todas las demás sienten el movimiento de cada partícula ".

Los investigadores, que han estado trabajando en las aplicaciones de la difusioforesis a la síntesis de nadadores artificiales y el bombeo a microescala durante mucho tiempo, cree que esta novela, El mecanismo reversible y controlado de autopropulsión de las partículas de Janus es un paso hacia microrobots más complejos que eventualmente podrán transportar carga a escala celular. También podría usarse para controlar el movimiento colectivo en microescala mediante la agitación inducida por la luz local en suspensiones de partículas activas y mezclas de coloides activos y pasivos suspendidos en un fluido.