Se puede hacer que las gotas de aceite actúen como depredadores, persiguiendo otras gotitas que huyen como presas. El comportamiento, que está controlado por la señalización química producida por las gotas, imita el comportamiento visto entre los organismos vivos, pero, hasta ahora, no había sido recreado en sistemas sintéticos. Este sistema químico sintonizable podría potencialmente servir como modelo para ayudar a comprender las interacciones en los sistemas de muchos cuerpos, como los bancos de peces, colonias bacterianas, o enjambres de insectos.

Un equipo internacional de investigadores dirigido por científicos de Penn State describe el sistema en un artículo publicado el 16 de noviembre. 2020 en la revista Química de la naturaleza.

"Al controlar la química de las gotas de aceite, podemos crear un sistema en el que las gotitas se comporten activamente y se comuniquen entre sí a través de gradientes químicos, "dijo Lauren Zarzar, profesor asistente de química en Penn State y líder del equipo de investigación. "Lo interesante que encontramos es que se puede diseñar un sistema de gotas que exhiban interacciones 'no recíprocas'. Una gota se atrae a la otra, mientras el otro es repelido, similar al comportamiento de depredadores y presas ".

Los investigadores colocan gotitas a microescala de los dos aceites diferentes en una solución de agua y un surfactante, un compuesto que se encuentra comúnmente en los jabones y que reduce la tensión superficial de los líquidos. Uno de los aceites se disuelve más fácilmente en la solución de tensioactivo, lo que hace que esas gotitas emitan un gradiente químico de moléculas de aceite en su entorno. Las gotas son repelidas por el aceite disuelto.

"Inicialmente, esta nube de aceite alrededor de las gotas es básicamente simétrica y las gotas no se mueven, "dijo Caleb Meredith, estudiante de posgrado en Penn State y coautor del artículo. "Pero lo que descubrimos es que las gotas de presa pueden absorber parte del aceite liberado por las gotas de los depredadores, establecer un intercambio de aceite de fuente-sumidero entre las gotitas. Cuando las gotas se acercan lo suficiente, crea una asimetría en el gradiente químico entre las dos gotas y hace que la gota del depredador se mueva hacia la presa, preparando una persecución ".

La asimetría del gradiente químico del petróleo generado por la fuente y el sumidero causa una diferencia en la tensión superficial a través de la superficie de las gotas de depredador y presa. El gradiente hace que la gota del depredador (fuente) se mueva hacia la gota de la presa (sumidero). Similar, debido al efecto del gradiente químico emitido por el depredador, la presa es repelida por el depredador que se acerca.

"Uno de los resultados sorprendentes es que las dos gotas de aceite no necesitan ser químicamente muy diferentes entre sí para provocar este comportamiento, ", dijo Zarzar." Analizamos una amplia variedad de composiciones químicas para los aceites y el surfactante, lo que nos permitió establecer un conjunto de reglas que gobiernan estas interacciones. Podemos usar estas reglas para ajustar la fuerza de las interacciones controlando las composiciones de las gotas de aceite o surfactante ".

El equipo de investigación también desarrolló un modelo, que basado en mediciones de las velocidades de persecución entre pares individuales de gotitas, fue capaz de simular con precisión el movimiento de muchas gotas y mostrar cómo se organizan en grupos más grandes que se mueven en una variedad de formas.

"Realmente me parecen como si estuvieran vivos a veces, ", dijo Meredith." Cuando varias gotas se juntan en grupos, pueden comenzar a rotar, detente y sigue, moverse en espirales, e incluso dividirse en grupos más pequeños ".

Los investigadores dicen que al comprender los tipos de reglas que gobiernan estas interacciones, su sistema podría eventualmente usarse para modelar experimentalmente sistemas de muchos cuerpos que van desde el comportamiento de un gran número de animales hasta las interacciones que podrían haber jugado un papel en la evolución de la vida temprana.

"Lo que estamos haciendo es realmente básico, investigación fundamental donde la motivación es comprender los procesos en funcionamiento que pueden controlar la actividad de cosas inanimadas como las gotas de aceite, "dijo Zarzar." Pero, estas ideas podrían encontrar aplicación en otras áreas, como el autoensamblaje, comportamientos grupales, e incluso al pensar en los orígenes de la vida en la Tierra, donde las mezclas de componentes químicos simples tenían que organizarse de alguna manera en estructuras que no estaban en equilibrio. Claramente, no estamos viendo los mismos productos químicos, pero es posible que podamos establecer parámetros o condiciones que, por ejemplo, dan lugar a tipos similares de interacciones que ocurrieron ".