Un equipo internacional dirigido por el profesor Yilin Wu, El profesor asociado del Departamento de Física de la Universidad China de Hong Kong (CUHK) ha realizado un avance conceptual novedoso en el campo de la ciencia de la materia activa. El equipo descubrió una nueva ruta en la que la autoorganización de los fluidos activos en el espacio y el tiempo puede controlarse mediante una única propiedad del material llamada viscoelasticidad. Este nuevo hallazgo puede allanar el camino para la fabricación de una nueva clase de dispositivos y materiales autónomos, como la capacidad de controlar el movimiento rítmico de robots blandos sin depender de circuitos electrónicos, y para el estudio de la fisiología microbiana. Ha sido publicado en la revista científica Naturaleza .

Un campo interdisciplinario y de rápido crecimiento, Los sistemas de estudios de ciencia de la materia activa consisten en unidades en las que se gasta energía localmente para generar trabajo mecánico. La materia activa incluye todos los organismos vivos, desde las células hasta los animales, biopolímeros impulsados ​​por motores moleculares, y materiales sintéticos autopropulsados. Los principios de autoorganización (el proceso de producir estructuras ordenadas a través de la interacción entre unidades individuales) aprendidos de estos sistemas pueden encontrar aplicaciones en la ingeniería de tejidos y en la fabricación de nuevos dispositivos o materiales bioinspirados.

El estudio fue concebido por el profesor Wu y su ex Ph.D. estudiante Song Liu (actualmente becario postdoctoral en el Instituto de Ciencias Básicas de Corea). Tienen un interés a largo plazo en comprender los fenómenos físicos de la autoorganización en la materia activa biológica, con especial atención a los fluidos activos que consisten en microorganismos móviles. En un artículo anterior, colaboró ​​con físicos extranjeros publicado en Naturaleza en 2017, informaron de un mecanismo de sincronización débil para la oscilación colectiva biológica, en el que un orden temporal robusto emerge de un gran número de trayectorias erráticas pero débilmente acopladas de células individuales en suspensiones bacterianas. Sin embargo, el control simultáneo del orden espacial y temporal es más desafiante.

En el nuevo estudio, el equipo de investigación de CUHK encontró pistas en viscoelasticidad, una propiedad común de los fluidos complejos que tienen respuestas tanto de tipo fluido como sólido bajo deformación. Mientras se manipula la viscoelasticidad de un fluido activo bacteriano con polímeros de ADN, el equipo encontró fenómenos espectaculares. El fluido activo bacteriano primero se autoorganiza en el espacio en un vórtice giratorio de escala milimétrica, luego muestra la organización temporal a medida que el vórtice gigante cambia su quiralidad global periódicamente con frecuencia sintonizable, como un péndulo de torsión autoimpulsado. El equipo creía que estos fenómenos llamativos posiblemente podrían surgir de la interacción entre el forzamiento activo y la relajación del estrés viscoelástico. La relajación viscoelástica se produce en una escala de tiempo que corresponde a la transición de respuestas de tipo sólido a tipo fluido cuando se deforma un fluido complejo.

Para comprender mejor los fenómenos observados, los investigadores del CUHK se unieron a los físicos teóricos Cristina Marchetti, Profesor de la Universidad de California, Santa Bárbara y su ex Ph.D. estudiante Suraj Shankar, ahora es Junior Fellow de la Universidad de Harvard. Los dos teóricos desarrollaron un modelo de materia activa que combina la actividad bacteriana, tensión elástica del polímero, y los campos de polarización y velocidad bacteriana. El análisis y las simulaciones por computadora del modelo reproducen todos los principales hallazgos experimentales, y también explicar el inicio del orden espacial y temporal en términos de la competencia entre las escalas de tiempo de relajación viscoelástica y forzamiento activo.

Estos nuevos hallazgos demuestran experimentalmente por primera vez que la viscoelasticidad de los materiales se puede aprovechar para controlar la autoorganización de la materia activa. Alimentará el desarrollo de la física del desequilibrio y puede allanar el camino para la fabricación de una nueva clase de materiales y dispositivos adaptativos autónomos. Por ejemplo, cuando se acopla a sistemas de actuación de robots blandos, el vórtice sintonizable y auto-oscilante a escala milimétrica puede utilizarse como un 'generador de reloj' que proporciona señales de sincronización para el bombeo de microfluidos programado y para controlar el movimiento rítmico de robots blandos, sin depender de circuitos electrónicos. Es más, las bacterias de las biopelículas y del tracto gastrointestinal de los animales a menudo nadan en fluidos viscoelásticos abundantes en polímeros de cadena larga. Los nuevos hallazgos también sugieren que la viscoelasticidad del medio ambiente puede modificar los patrones de movimiento colectivo de las bacterias. influyendo así en la dispersión de biopelículas y la translocación del microbioma intestinal.