Un nuevo estudio publicado en Cartas de revisión física describe una forma de aumentar la capacidad de carga de microscópicos, gotitas autopropulsadas conocidas como "micro nadadores". Investigadores de la Universidad de Pensilvania y el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización encontraron que cuando una escuela de micro nadadores se mueve en la misma dirección dentro de un canal estrecho, pueden aumentar diez veces el número de partículas que pueden transportar. Sus hallazgos tienen implicaciones para aplicaciones que van desde sistemas de administración de fármacos hasta materiales con recubrimientos activos.

Como muchos esfuerzos científicos, éste comenzó con una simple observación. Mientras asistía a una cena de conferencia en el Acuario de Georgia, El físico Arnold Mathijssen y sus colegas notaron que grandes bancos de peces nadadores parecían llevar pequeñas partículas y escombros a su paso. Esto sucede debido al arrastre hidrodinámico, un proceso donde, como un objeto se mueve a través de un líquido, genera un flujo y hace que los objetos cercanos sean arrastrados con él.

"Nos preguntábamos, Mientras los peces del acuario nadan hacia adelante, ¿Una partícula también se arrastra hacia adelante? ¿O es empujado hacia atrás por sus colas? ", dice Mathijssen." Nuestra pregunta central era si estos tipos hacen avanzar las cosas o no, y la hipótesis era que, si podemos ver que esto sucede en el acuario, tal vez esto también sea aplicable bajo un microscopio ".

Para responder a la pregunta, Los investigadores del Instituto Max Planck, Chenyu Jin, Yibo Chen, y Corinna Maass llevaron a cabo experimentos con micro nadadores sintéticos, gotitas autopropulsadas de aceite y surfactante que son un sistema modelo para robots microscópicos. Usando sus micro nadadores, los investigadores pudieron medir la fuerza de los flujos generados por un nadador individual y la cantidad de material que un individuo podía llevar consigo mientras viajaba a través de un canal bidimensional. Luego, una vez recopilados los datos, Mathijssen y su grupo desarrollaron un modelo teórico para ayudar a explicar sus hallazgos.

Un desafío particular para desarrollar el modelo fue idear una forma de describir los efectos de las paredes del canal microscópico porque, a diferencia del acuario, este experimento se llevó a cabo en un espacio reducido. "Ese confinamiento realmente afecta los flujos y, como resultado, afecta el volumen total de cosas que puede transportar. Existe bastante literatura en términos de modelado de partículas activas, pero es difícil hacerlo bien en entornos complejos, "Dice Mathijssen.

Usando sus datos y el modelo recientemente desarrollado, Los investigadores encontraron que la capacidad de transporte de un micronadador individual podría incrementarse diez veces cuando nadaban juntos dentro de un canal estrecho. También encontraron que la velocidad de arrastre, o la velocidad a la que las partículas se mueven hacia adelante, era mucho más grande de lo previsto inicialmente.

En comparación con un sistema más abierto, como el acuario, tener un canal confinado parece mejorar el movimiento de partículas, dice Mathijssen. "Si estás en un mundo tridimensional, la energía que inyecta en su sistema se distribuye en todas direcciones. Aquí, donde se enfoca en un plano bidimensional, la fuerza de los flujos es mayor. Es casi como si tuvieras un velorio en la parte delantera y trasera, por lo que el efecto es dos veces más fuerte, efectivamente, " él dice.

Otro hallazgo sorprendente fue cuán poderoso podría ser este efecto incluso a largas distancias en un sistema como este con un número de Reynolds bajo, un valor utilizado por los científicos para predecir los patrones de flujo de líquidos. Los sistemas con números de Reynolds bajos tienen flujo laminar (como una cascada), y aquellos con valores altos son más turbulentos.

"Aquí, las diferencias entre los números de Reynolds bajo y alto es que, en números bajos de Reynolds, estos flujos tienden a ser de muy largo alcance. Incluso si estás a 10 cuerpos de distancia, estos flujos siguen siendo importantes. En números de Reynolds más altos, eso no es necesariamente cierto porque hay mucha turbulencia, y eso perturba este efecto de arrastre, "Dice Mathijssen.

Los investigadores creen que esto podría deberse a la simetría frontal y posterior que se produce en un sistema cerrado. "Con números bajos de Reynolds, tienes una presión frente a la gota, y esa presión empuja el líquido hacia adelante una gran distancia, "dice Mathijssen.

Los experimentos futuros analizarán cómo se desarrolla este efecto en sistemas que tienen números de Reynolds más altos. Se cree que los peces dependen de un fenómeno similar cuando nadan uno detrás del otro en grandes cardúmenes. similar a los ciclistas que se lanzan unos a otros en un pelotón, por lo que los investigadores piensan que un efecto similar también podría estar ocurriendo en otros sistemas.

Y debido a que la física subyacente descrita en este estudio también se aplica a muchos otros, Estos hallazgos también tienen implicaciones para otros campos, desde el diseño de sistemas de administración de fármacos, comprender cómo las biopelículas transportan nutrientes, y diseñar materiales activos, los que tienen recubrimientos únicos o propiedades que los imbuyen de características dinámicas.

"El panorama más amplio en términos de física es ver cómo los componentes activos individuales pueden trabajar juntos para dar lugar a una funcionalidad compartida, lo que llamamos fenómenos emergentes, a escala macroscópica, "dice Mathijssen". Y allí, no hay un libro de reglas, todavía no hay leyes de la física que describan estos sistemas que están fuera de equilibrio, por lo que hay preguntas fundamentales de física teórica que quedan por responder ".