Collective dynamics of chemo-mechanical colloidal chains with active tips

En el mundo microscópico, existe una clase de materiales conocidos como materia activa. A diferencia de un montón de arena o una gota de agua, que permanecen quietos a menos que sean empujados por una fuerza externa, la materia activa está compuesta por diminutas partículas que se mueven por sí mismas. Estas partículas, a menudo llamadas nadadores, consumen energía de su entorno para impulsarse hacia adelante. Cuando se reúnen suficientes de ellas, no solo se mueven de forma aleatoria; comienzan a coordinarse. Pueden formar grupos masivos y fluidos que se mueven al unísono, separarse en cúmulos densos y espacios vacíos, o agitarse en corrientes caóticas y arremolinadas que parecen una tormenta en una taza de té. Los científicos han estudiado durante mucho tiempo cómo se forman estos grupos, centrándose habitualmente en cómo las partículas chocan entre sí o en cómo el fluido a través del cual nadan las empuja. Sin embargo, un nuevo estudio explora un tipo diferente de interacción, una que ocurre sin contacto físico ni corrientes de fluido, impulsada enteramente por señales químicas.

Los investigadores Arvin Gopal Subramaniam y Rajesh Singh, del Instituto Indio de Tecnología de Madrás, investigaron un tipo específico de material activo: cadenas de diminutas cuentas, donde solo la punta de la cadena es químicamente activa. Imagine una cuerda de cuentas, pero donde solo la primera cuenta de la línea es capaz de realizar una reacción química que crea un campo a su alrededor. Este campo actúa como una señal que otras cadenas pueden sentir. Los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para observar cómo se comportaban estas cadenas cuando se colocaban juntas en un espacio plano bidimensional. Cambiaron dos cosas principales: qué tan largas eran las cadenas y qué tan congestionado estaba el espacio. También probaron dos tipos diferentes de señales químicas: una que hacía que las cadenas se repelieran entre sí, y otra que las atraía. Lo que encontraron fue una variedad sorprendente de comportamientos que aparecieron sin la necesidad de que las cadenas se tocaran o de que el fluido transportara fuerzas entre ellas.

Cuando la señal química hizo que las cadenas se repelieran entre sí, el comportamiento dependió en gran medida de la longitud de la cadena. Para las cadenas más cortas, que consistían en solo dos cuentas, el sistema finalmente se estableció en un estado donde cada cadena se movía en la misma dirección, como una bandada de aves. Esto sucedió incluso aunque las cadenas se estuvieran empujando entre sí. Antes de alinearse, el sistema pasó por un breve periodo de movimiento caótico y arremolinado, pero esta turbulencia fue solo un peldaño hacia la bandada ordenada. Sorprendentemente, en este estado de bandada, la densidad de las cadenas se volvió increíblemente uniforme, con casi ningún cúmulo o hueco, una propiedad que los científicos llaman hiperuniformidad. Esto sugiere que la fuerza química de repulsión fue lo suficientemente fuerte como para suavizar la multitud.

A medida que las cadenas se hacían más largas, la historia cambiaba. Para cadenas de longitud intermedia, la señal de repulsión creó un estado de movimiento constante y caótico que los investigadores llaman turbulencia activa. En este estado, las cadenas formaban vórtices giratorios que giraban en direcciones opuestas, creando un flujo turbulento que nunca se asentaba. Esto es significativo porque, en estudios previos, se pensaba que tal turbulencia requería que las cadenas empujaran contra el fluido en el que nadaban. Aquí, la turbulencia surgió puramente de las señales químicas entre las puntas de las cadenas, una ruta "seca" hacia el caos que no dependió de la dinámica de fluidos. Para cadenas aún más largas, o en densidades muy bajas, el sistema entró en una fase de "enjambre". Aquí, pequeños grupos de cadenas se movían juntos localmente, pero estos grupos no se alineaban entre sí a gran escala. Las cadenas giraban en vórtices locales, pero a diferencia de la turbulencia pura, no había un desorden a gran escala; los grupos locales mantenían su propia dirección mientras que el sistema completo permanecía desordenado.

Cuando los investigadores cambiaron la señal química para que fuera atractiva, atrayendo las cadenas en lugar de empujarlas, las cadenas se organizaron en formas completamente diferentes. Formaron cúmulos compactos, similares a erizos, donde las puntas activas se reunían en el centro y las colas pasivas irradiaban hacia afuera. Esta estructura se parecía mucho a un micela de jabón, una pequeña esfera de moléculas de jabón que se forma en el agua, pero aquí fue creada enteramente por el propio movimiento de las cadenas y la atracción química, no por el equilibrio habitual de aceite y agua. Para las cadenas más cortas, estos cúmulos se apilaban en estructuras de anillos estratificados. A densidades altas, las cadenas se empaquetaron tan estrechamente que dejaron de moverse por completo, formando un sólido rígido, similar al vidrio, que quedó congelado en su lugar.

Los investigadores también construyeron una teoría matemática simplificada para explicar por qué las cadenas se comportaban de esta manera. Trataron las cadenas flexibles como si fueran varas rígidas con una fuente química en un extremo. Esta teoría predijo correctamente que las cadenas cortas formarían bandadas y que las más largas tendrían dificultades para alinearse, coincidiendo con las simulaciones por computadora. Sin embargo, la teoría sobreestimó la capacidad de las cadenas más largas para formar bandadas perfectas, sugiriendo que la flexibilidad de las cadenas reales y la forma compleja en que se amontonaban jugaban un papel más importante de lo que el modelo simple podía capturar. El estudio concluye que el simple acto de tener una fuente química en la punta de una cadena es suficiente para generar un amplio espectro de comportamientos colectivos, desde bandadas ordenadas hasta turbulencia caótica y agregados estructurados. Este hallazgo ofrece una forma mínima y nueva de crear materia activa compleja, sugiriendo que podríamos ser capaces de diseñar nuevos materiales que se autoorganicen usando solo señales químicas, sin necesidad de diseñar interacciones de fluidos complejas o formas físicas.