Las ondas viajeras se observan comúnmente en sistemas biológicos y sintéticos, y descubrimientos recientes han demostrado cómo los coloides de plata forman ondas de movimiento viajero en peróxido de hidrógeno bajo luz ultravioleta. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Xi Chen y un equipo de investigadores en materiales inteligentes, física y óptica del Instituto de Tecnología de Harbin y la Universidad Jiao Tang de Shanghai, en China, mostraron la onda de movimiento coloidal como un sistema excitable heterogéneo.

Los coloides de plata generaron ondas químicas viajeras a través de la reacción de difusión y fueron autopropulsados ​​o advección a través de difusión u ósmosis. El equipo observó los resultados fundamentales utilizando tintes sensibles al pH y al hidróxido, y utilizó un modelo de Rogers-McCulloch para producir cuantitativa y cualitativamente los rasgos característicos de las ondas coloidales. Los resultados allanan el camino para integrar ondas coloidales como una plataforma para estudiar fenómenos no lineales e investigar el transporte coloidal para explorar la transmisión de información en conjuntos de microrobots biomiméticos.

Traducción de la oscilación biológica en el laboratorio

Los procesos oscilatorios se observan ampliamente en los sistemas vivos, variando desde el ritmo circadiano hasta las oscilaciones citosólicas. El acoplamiento entre las unidades oscilatorias puede conducir a la sincronización que da lugar a ondas viajeras, como se observa con las ondas de calcio que se propagan a través de un óvulo fertilizado, los potenciales de acción que se propagan a través de las células cardíacas que laten, los estados mitóticos y las ondas de ameba autoorganizada. Los biofísicos tienen como objetivo comprender la naturaleza fisicoquímica de estas ondas para examinar las tendencias subyacentes en la vida. Los recientes descubrimientos de los coloides oscilantes fotoquímicamente activos que contienen plata son una interesante adición a la familia de procesos no lineales.

Cuando los investigadores sumergieron una microesfera de polímero inerte semicubierta con plata en una solución acuosa de peróxido de hidrógeno o cloruro de potasio y las expusieron a fuentes de luz, notaron la visualización de pulsos. Propusieron que las nanopartículas de plata producidas durante el experimento sirvieran como puntos de acceso catalíticos para permitir más reacciones. Independientemente del detalle químico, el equipo observó cómo la difusión de los productos químicos impulsaba las partículas de Janus a través de la autodifusioforesis, para dar lugar a un movimiento coloidal similar. En este trabajo, Chen et al ofrecieron una primera vista para generar los coloides químicamente activos y monitorearon su respuesta a las ondas químicas más allá de los sistemas clásicos de reacción-difusión. Los resultados ofrecen grandes posibilidades para la investigación traslacional que conecta la materia activa con la ciencia no lineal para regular enjambres de máquinas microscópicas biomiméticas.

El equipo observó el desarrollo de ondas de movimiento coloidal periódicas en propagación sincronizada. Anteriormente habían registrado ondas balísticas a una densidad de población intermedia, donde los coloides activados en el frente de onda se movían en todas direcciones debido a la autopropulsión forética. Los investigadores notaron la aparición de tipos de ondas cualitativamente diferentes, conocidas como ondas de enjambre en densidades de población aún más altas. En este caso, el equipo desarrolló microesferas de polimetilmetacrilato medio recubiertas de plata (PMMA-Ag), suspendidas en peróxido de hidrógeno y cloruro de potasio e iluminadas con luz de 365 nm. La partícula coloidal que contiene plata podría, en principio, emitir ondas de enjambre. Los resultados experimentales indicaron un resultado similar a la "ola mexicana" que se ve en los estadios de fútbol. Luego, el equipo cuantificó la onda de enjambre mediante el seguimiento de una sola partícula y la velocimetría de imágenes de micropartículas al considerar las partículas coloidales como trazadores de flujo. En este caso, la onda viajó a una velocidad de 16 µm/s, con parámetros ajustables. Los cambios en la intensidad de la luz solo cambiaron levemente el período y las velocidades de una ola de enjambre. The team distinguished the swarming waves from ballistic waves via their characteristic mobility and physicochemistry

Chemical waves:The physicochemical nature of a colloidal wave

Chen et al described the physicochemical nature of the activation and recovery of colloidal waves. Since the wave phenomenon is inspired by traveling waves in reaction-diffusion systems, they hypothesized colloidal waves to be underpinned by a traveling chemical wave, due to reaction-diffusion mechanisms. For instance, hydrogen peroxide can decompose faster in higher pH to form a burst of highly oxidative intermediates that oxidized silver into silver chloride. The resulting chemical reactivity activated the silver-colloid to release a burst of chemicals to maintain chemical wave propagation. They confirmed the production of hydroxide anions during silver oxidation, and the formation of hydrogen cations during silver chloride photodecomposition, at and behind the chemical wavefront by using fluorescence mapping and pH measurements.

Colloids respond to a chemical wave:Modeling a reaction-diffusion colloidal wave

The scientists next studied the dynamics of colloidal particles in a chemical wave to dictate the type of colloidal wave formed. They noted ionic self-diffusiophoresis, and at higher ionic densities they noted weaker electro-kinetic effects for reduced self-propulsion. They identified the dynamics of neutral diffusio-osmosis dynamics, which moved colloid particles via advection, in addition to self-propagation. As self-propagation weakened and diffusio-osmosis intensified in a crowded solution with rising ionic strength, the colloidal wave switched to swarming wave. The team observed a range of effects, including electrokinetic effects, advection support via osmosis, and self-propulsion during the experiments. Chen et al next reproduced and corroborated the proposed reaction-diffusion colloidal wave via numerical simulations. At the first step, they used the Rogers-McCulloch model to simulate a chemical wave, the resulting numerical models qualitatively reproduced key features, to explore the dynamics of colloidal waves.

In this way, Xi Chen and colleagues developed a numerical model to simulate colloidal waves to study the heterogeneity of chemical waves. The outcomes showed good agreement with simulations and experiments to provide key insights to understand microscopic details of chemical waves in experimental systems. Colloidal waves can be integrated with optical tweezers, acoustofluidics or microfluidics to regulate micro- and nanoscopic objects in space and time. The method is useful to swarm physicochemical dynamics of a colloidal wave and can lead to develop wave-mediated information transmission systems to examine autonomous micro-robots. The colloidal waves present a good model system of reaction-diffusion processes at mesoscopic and microscopic scales. + Explora más

Las 'olas puntiagudas' axisimétricas superan con creces los límites que antes se pensaba que dictaban la altura máxima de las olas del océano

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