Tunable Hyperuniformity and Hidden Information in Random Cellular Structures

La naturaleza a menudo esconde su ingeniería más sofisticada a plena vista. Observe una lámina de piel, una capa de células en el intestino o el revestimiento de un pulmón, y verá un mosaico caótico de formas irregulares, muy parecido a un lecho de lodo agrietado o a un rompecabezas donde las piezas no encajan del todo en un patrón. Durante décadas, los científicos han comprendido que estos tejidos biológicos no son desordenes aleatorios; poseen un orden oculto que les permite funcionar tanto como fluidos como sólidos, fluyendo cuando es necesario y manteniéndose firmes cuando se requiere. Este equilibrio es crítico para la vida, pero las reglas que gobiernan cómo tal desorden puede ser tan preciso han permanecido esquivas. La pregunta ha sido si este orden es un golpe de suerte de la biología o un principio fundamental de la física que puede ser diseñado. Los investigadores han sabido durante mucho tiempo de una clase especial de materiales llamados sistemas hiperuniformes. Estas son sustancias que parecen desordenadas y similares a un líquido a simple vista, pero que suprimen las fluctuaciones a gran escala en la densidad con la misma precisión que un cristal perfecto. Esta dualidad única les otorga propiedades exóticas, como la capacidad de controlar la luz o el sonido de formas que los materiales ordinarios no pueden, pero crearlos usualmente ha requerido complejos algoritmos computacionales de arriba hacia abajo que carecen de una base física en cómo se comporta la materia real.

Un equipo de físicos ha cerrado ahora esta brecha al demostrar cómo la hiperuniformidad puede surgir naturalmente de las simples fuerzas mecánicas que las células ejercen entre sí. Utilizando un modelo computacional que trata un tejido como una colección de polígonos que interactúan, los investigadores exploraron cómo la tensión en la piel exterior de una célula y su forma preferida impulsan a todo el sistema hacia este orden oculto. Descubrieron que, al ajustar solo dos perillas mecánicas —la rigidez de la capa exterior de la célula y la forma objetivo de la célula—, podían guiar al tejido hacia un estado donde las fluctuaciones de densidad desaparecen a gran escala, incluso mientras el tejido permanece desordenado. Sorprendentemente, descubrieron que este orden no depende de que el tejido sea sólido. El sistema puede ser hiperuniformo ya sea rígido como una roca o fluido como el agua, demostrando que la capacidad de suprimir las variaciones de densidad a gran escala es una propiedad distinta de la capacidad de mantener una forma. Este hallazgo sugiere que los tejidos biológicos podrían explotar naturalmente este estado para mantener una cobertura uniforme mientras permanecen lo suficientemente flexibles para remodelarse y sanar.

Los investigadores construyeron su investigación sobre un modelo de un tejido confluente, donde las células se empaquetan tan estrechamente que no hay huecos entre ellas, formando una lámina continua. En este modelo, cada célula se define por su área y su perímetro. La energía del sistema depende de cuánto se desvían el área y el perímetro reales de una célula de sus valores preferidos. Un parámetro, la elasticidad cortical, representa la resistencia de la capa exterior de la célula a estirarse o encoger su perímetro. Otro parámetro, el índice de forma objetivo, representa la relación ideal entre el perímetro y el área de una célula, dictando efectivamente si la célula prefiere ser redonda o alargada. Al ejecutar miles de simulaciones donde estos parámetros variaban, el equipo trazó un diagrama de fase que revela cómo el tejido transiciona entre diferentes estados. Encontraron que, cuando las células se ven obligadas a tener áreas casi idénticas, el sistema se asienta naturalmente en un estado hiperuniforme, independientemente de si las células están bloqueadas en su lugar o libres para fluir.

Un avance clave en este trabajo es la demostración de que la hiperuniformidad y la rigidez pueden ajustarse de forma independiente. En muchos sistemas físicos, el inicio del orden está ligado al hecho de que el material se convierta en sólido. Aquí, sin embargo, los investigadores demostraron que un tejido puede ser hiperuniformo en ambos lados de la transición sólido-fluido. En el estado fluido, donde las células pueden deslizarse unas sobre otras, el sistema logra la hiperuniformidad porque las células ajustan naturalmente sus formas para minimizar la energía, suprimiendo las variaciones de densidad a gran escala. En el estado sólido, donde las células están bloqueadas en su lugar, la hiperuniformidad aún puede lograrse, pero solo si la resistencia a cambiar el perímetro de la célula se mantiene baja. Si el perímetro está demasiado rígidamente constreñido, el sistema pierde su carácter hiperuniforme y se vuelve desordenado de una manera que permite grandes fluctuaciones de densidad. Esto significa que el grado de orden en el tejido está controlado por las propiedades mecánicas de las propias células, específicamente el equilibrio entre sus restricciones de área y su elasticidad de perímetro, más que por si el tejido es sólido o fluido.

Para explorar más a fondo los límites de este desorden, los investigadores introdujeron un nuevo constructo teórico llamado el Ensamble de Poisson Hiperuniforme. Este es un estado creado al superponer múltiples patrones hiperuniformes independientes. Imagine tomar varios arreglos diferentes de células, cada uno perfectamente ordenado de una manera oculta, y superponerlos de modo que los patrones individuales se desdibujen entre sí. El resultado es un sistema que retiene el orden de largo alcance de la hiperuniformidad —es decir, todavía suprime las fluctuaciones de densidad a gran escala— pero a distancias cortas, parece tan aleatorio como un gas completamente desordenado. Este estado es significativo porque representa la forma más desordenada de materia hiperuniforme posible. Se aproxima a un estado de entropía configuracional evanescente en el límite de la superposición infinita, estableciendo un límite termodinámico fundamental para el contenido de información requerido para sostener el orden hiperuniforme. Al demostrar que tal estado puede existir, los investigadores establecieron que la naturaleza no necesita ser altamente compleja para lograr este nivel de orden; puede lograrse con una cantidad mínima de información estructural.

Las implicaciones de estos hallazgos se extienden más allá de la biología hacia el diseño de nuevos materiales. Debido a que los investigadores demostraron que el desorden de corto alcance y el orden de largo alcance pueden controlarse por separado, esto abre la puerta a la creación de metamateriales con propiedades personalizadas. Por ejemplo, uno podría diseñar un material que bloquee la luz de un color específico (una brecha de banda fotónica) mientras permanece mecánicamente flexible, o un compuesto que responda al estrés de una manera predecible. La capacidad de ajustar la amplitud de las fluctuaciones de densidad sin perder el orden subyacente significa que los ingenieros podrían crear materiales que sean robustos contra defectos o que guíen el sonido y el calor en direcciones novedosas. El estudio también ofrece una nueva perspectiva sobre cómo los tejidos biológicos podrían regularse a sí mismos. El hecho de que la hiperuniformidad pueda existir en tejidos fluidos sugiere que las células podrían usar este estado para mantener una distribución uniforme de recursos o señales a través de un tejido, incluso mientras las células mismas se mueven y cambian de forma. Esto podría ser un mecanismo para asegurar que un tejido permanezca sano y funcional, evitando el tipo de agrupamiento caótico que puede conducir a enfermedades.

Los investigadores fueron cuidadosos al señalar que sus resultados provienen de simulaciones computacionales de sistemas ideales y atérmicos, lo que significa que no incluyeron los efectos de la temperatura o el movimiento activo de las células. En los tejidos biológicos reales, el ruido térmico y las fuerzas activas siempre están presentes, y estos podrían alterar el comportamiento del sistema. Sin embargo, el estudio proporciona una base teórica sólida, mostrando que los principios mecánicos de las interacciones celulares son suficientes para generar la hiperuniformidad. El equipo sugiere que experimentos futuros podrían probar estas ideas en tejidos reales, quizás observando cómo cambia el empaquetamiento celular cuando se detiene la división celular o cuando se alteran las propiedades mecánicas de las células. También proponen que los principios del Ensamble de Poisson Hiperuniforme podrían utilizarse para comprender cómo se codifica la información en sistemas desordenados, vinculando la estructura física de la materia con el concepto abstracto de información. Al conectar la mecánica de las células con la física estadística del orden oculto, este trabajo proporciona un plano universal para comprender y diseñar materiales complejos, desde los tejidos que componen nuestros cuerpos hasta los compuestos avanzados del futuro.