Los investigadores demostraron que podían usar pinzas similares a las pinzas ópticas (láseres altamente enfocados que pueden usarse para empujar átomos y otros materiales microscópicos y submicroscópicos) para manipular los defectos topológicos de los fluidos y controlar cómo fluyen estos fluidos activos. El estudio, dirigido por el físico de la UM Suraj Shankar, se publica en las Proceedings of the National Academy of Sciences. .

Se puede pensar en un fluido activo como una bandada de pájaros, dice Shankar. En un murmullo, una enorme nube de estorninos, los pájaros se retorcerán y girarán al unísono, formando formas de la nube. Pero si bien el murmullo parece moverse como un organismo, el movimiento lo realizan pájaros individuales impulsados ​​por sus pares de alas individuales.

De manera similar, los fluidos activos están compuestos de componentes individuales como bacterias en el agua o átomos en un cristal, pero cada unidad se mueve por sí sola si se le ilumina con luz o se le da "alimento" a través de una reacción química, según Shankar. Los investigadores han diseñado bacterias previamente para que cuando las iluminen, algunas bacterias en el líquido nadan más rápido y otras nadan más lento.

"Y puedes cambiar ese patrón como quieras. Al cambiar la velocidad a la que nadan las bacterias localmente, puedes pintar caras de personajes famosos, o cambiarlo y crear un paisaje", dijo Shankar, profesor asistente de física en la UM.

"Dado que existen estas plataformas experimentales y ahora podemos manipular estos materiales controlando la velocidad a la que se mueven las cosas, preguntamos:¿Podemos desarrollar un marco en el que podamos controlar las velocidades locales de las cosas que comprenden fluidos activos? para que podamos controlarlos de forma sistemática?"

El equipo de investigación también incluye a los coautores Cristina Marchetti y Mark Bowick de la Universidad de California en Santa Bárbara y Luca Scharrer, quienes realizaron gran parte de la investigación como estudiante universitario en UCSB.

El equipo se centró en un fluido activo popular llamado fluido nemático, compuesto de cristales líquidos, el mismo tipo de cristales líquidos que componen las pantallas de los teléfonos inteligentes, tabletas y computadoras. Estos cristales líquidos son fluidos compuestos de moléculas largas que pueden alinearse y ordenarse como cerillas en una caja de cerillas o troncos de madera que se apilan y fluyen río abajo, dice Shankar.

Pero cuando son impulsados ​​por reacciones químicas, estos fluidos nemáticos se vuelven activos y tienen la capacidad de bombear fluido, lo que les permite moverse sin fuerzas aplicadas externamente ni gradientes de presión.

Shankar y sus colegas utilizaron este rasgo característico y aplicaron principios de simetría, geometría y topología de las matemáticas para desarrollar principios de diseño que permitirán a los investigadores controlar la trayectoria de cristales individuales dentro de los fluidos nemáticos.

Sus métodos se basan en diferencias en cómo estos objetos en forma de varillas se alinean dentro del líquido. Es posible que estén desalineados en algunos puntos, lo que hace que los cristales líquidos se doblen alrededor del punto de desalineación, como un remolino en un río.

Esto crea diferentes patrones en el fluido, similares a las crestas de las huellas dactilares, dice Shankar. En los cristales líquidos, hay puntos donde la línea de cristales se doblará y parecerá un cometa, o formará un símbolo que se parece al logotipo de Mercedes.

Si agrega energía al sistema y activa el fluido, estos patrones, llamados defectos topológicos, cobran vida.

"Estos patrones comienzan a moverse e impulsan y agitan el fluido, casi como si fueran partículas reales", dijo Shankar. "Controlar estos patrones individuales asociados con los defectos parece un trabajo más sencillo que controlar cada componente microscópico de un fluido".

El proyecto comenzó cuando Scharrer desarrolló simulaciones para modelar el flujo de fluido activo y rastrear la ubicación de defectos topológicos, intentando probar una hipótesis planteada por Shankar y Marchetti. Al mostrar los resultados de su simulación a los otros investigadores, Scharrer y el equipo descubrieron cómo estas respuestas complejas podrían explicarse matemáticamente y convertirse en principios de diseño para el control de defectos.

En el estudio, Scharrer creó formas de crear, mover y trenzar patrones topológicos utilizando lo que ellos llaman pinzas topológicas activas. Estas pinzas pueden transportar o manipular estos defectos a lo largo de trayectorias espacio-temporales como si fueran partículas, controlando la estructura y la extensión de las regiones donde la actividad química impulsa el bombeo de fluidos. El movimiento resultante del fluido activo alrededor de los remolinos de los defectos topológicos permite su movimiento interminable.

"Creo que este trabajo es un hermoso ejemplo de cómo la investigación impulsada por la curiosidad, en comparación con el trabajo impulsado por problemas o ganancias, puede llevarnos en direcciones tecnológicas completamente inesperadas", dijo Scharrer, ahora estudiante de doctorado en la Universidad de Chicago. /P>

"Comenzamos este proyecto porque estábamos interesados ​​en la física fundamental de los defectos topológicos y accidentalmente tropezamos con una nueva forma de controlar fluidos biológicos activos y bioinspirados. Si hubiéramos tenido ese objetivo final en mente desde el principio, quién sabe si hubiésemos encontrado algo."

Los investigadores también demuestran cómo patrones de actividad simples pueden controlar grandes conjuntos de defectos giratorios que impulsan continuamente flujos de mezcla turbulentos.

Shankar dice que si bien el campo es nuevo y su método está probado utilizando modelos computacionales en este momento, algún día la gente podría usar este concepto para crear sistemas de micropruebas con fines de diagnóstico o para crear pequeñas cámaras de reacción. Otra aplicación potencial podría estar en el campo de la robótica blanda o los sistemas blandos, en los que las capacidades informáticas podrían distribuirse entre materiales blandos y flexibles.

"Estos son tipos inusuales de fluidos que tienen propiedades muy interesantes y plantean preguntas muy interesantes en física e ingeniería que, con suerte, podemos alentar a otros a pensar", dijo Shankar.

"Dado este marco en este sistema que demostramos, es de esperar que otros puedan tomar ideas similares y aplicarlas a su modelo y sistema favoritos, y con suerte hacer otros descubrimientos que sean igualmente emocionantes".