Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
Este estudio revela que los polímeros en estrella activos exhiben un fenómeno de no equilibrio llamado "abrazo activo", donde los brazos autopropulsados superan la repulsión estérica para colapsar de forma autónoma y capturar partículas circundantes, funcionando efectivamente como pinzas microscópicas para la manipulación dirigida de carga.
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Los seres vivos poseen una capacidad notable para cambiar su forma y función por sí mismos. Una célula puede reorganizar su esqueleto interno para moverse, o una proteína puede plegarse en una forma precisa para realizar una tarea, todo ello sin que una mano externa guíe el proceso. Los científicos han buscado durante mucho tiempo recrear este tipo de comportamiento autodirigido en materiales sintéticos, con la esperanza de construir máquinas blandas que puedan plegarse, envolver o agarrar objetos utilizando únicamente su propia energía interna. Aunque los investigadores han logrado crear materiales que se hinchan, se estiran o se agitan cuando se energizan, lograr que realicen una tarea mecánica específica —como envolverse alrededor de un vecino para agarrarlo— ha seguido siendo un desafío difícil. La mayoría de los materiales activos simplemente se mueven o cambian su tamaño general, pero carecen del control coordinado necesario para interactuar con su entorno de manera dirigida.
Un equipo de investigadores ha descubierto ahora una nueva forma de lograr este tipo de agarre autónomo utilizando un tipo especial de estructura en forma de estrella. Construyeron y estudiaron "polímeros estelares activos", que no están hechos de moléculas diminutas, sino de partículas grandes, de tamaño centimétrico, que pueden verse a simple vista. Cada una de estas estructuras consiste en un núcleo pasivo central con varias extremidades que se extienden hacia afuera. Los brazos están hechos de partículas más pequeñas que están diseñadas para moverse por sí solas cuando se colocan sobre una superficie vibratoria. Combinando experimentos físicos con simulaciones por computadora, los investigadores descubrieron que estos brazos activos envuelven espontáneamente el núcleo central y alrededor de los otros brazos, abrazando efectivamente la estructura en una bola apretada. Este fenómeno, que llaman "abrazo activo" (active embracement), permite que el polímero estelar se colapse en una forma compacta, se agrupe con otras estrellas o incluso alcance y capture partículas sueltas que flotan cerca, funcionando de manera muy similar a un par de pinzas autónomas.
Los investigadores construyeron estos polímeros estelares utilizando impresión 3D para crear partículas personalizadas. El núcleo central es un cilindro pasivo que se mueve aleatoriamente, como una mota de polvo en el agua. Conectados a este núcleo hay varios brazos, cada uno hecho de una cadena de partículas activas. Estas partículas activas están equipadas con siete pequeñas patas que están inclinadas en un ángulo específico. Cuando todo el sistema se coloca sobre una placa que vibra verticalmente a una frecuencia de 100 veces por segundo, las patas inclinadas hacen que las partículas activas salten y se muevan en una dirección específica, otorgándoles un movimiento de autopropulsión persistente. Los brazos están conectados al núcleo y entre sí mediante enlaces rígidos que les permiten rotar libremente pero mantienen fija la distancia entre las partículas. Los investigadores probaron estas estructuras en una arena circular, observando cómo se comportaban con diferentes números de brazos y diferentes longitudes de brazos.
En ausencia de este movimiento autopropulsado, los brazos de un polímero estelar simplemente se extenderían, empujados por el hecho de que no pueden ocupar el mismo espacio. Sin embargo, cuando los brazos son activos, el comportamiento cambia dramente. El movimiento constante de los brazos hace que colisionen entre sí. Debido a que las partículas están hechas de un material que crea fricción cuando se tocan, estas colisiones no solo las separan rebotando; en cambio, la fricción las ralentiza y hace que se peguen. Esto conduce a un estado en el que los brazos envuelven el núcleo central y alrededor de los otros brazos, colapsando toda la estructura en una forma globular apretada. Los investigadores observaron este comportamiento de autocolapso tanto en sus experimentos físicos como en sus modelos computacionales, señalando que ocurre independientemente de cuántos brazos tenga la estrella o de qué tan largos sean esos brazos.
Este mecanismo de envolver y pegar no se limita a una sola interacción de un polímero estelar consigo mismo. Cuando se colocan múltiples polímeros estelares activos juntos, no se repelen como lo harían los objetos pasivos. En su lugar, sus brazos activos se extienden y abrazan los brazos de las estrellas vecinas. La fricción de estos contactos ralentiza el movimiento relativo de las diferentes estrellas, causando que se agrupen y permanezcan en contacto cercano durante largos periodos. Las simulaciones por computadora confirmaron que este agrupamiento es un resultado directo del movimiento activo y la fricción entre las partículas; sin la fricción, las estrellas simplemente rebotarían entre sí y permanecerían separadas.
Quizás la demostración más sorprendente de este comportamiento es la capacidad de un polímero estelar activo para capturar y transportar objetos pasivos. Cuando los investigadores colocaron partículas sueltas y no móviles en la arena con un polímero estelar activo, los brazos de la estrella se envolvieron espontáneamente alrededor de las partículas sueltas, atrapándolas dentro de la estructura colapsada. La estrella activa efectivamente "agarró" las partículas pasivas y las llevó consigo mientras se movía. En contraste, un polímero estelar pasivo, que carece del movimiento autopropulsado, no pudo capturar nada; sus brazos simplemente empujaban las partículas sueltas lejos. Los investigadores midieron cuántas partículas fueron capturadas en diferentes densidades y encontraron que las estrellas activas capturaron significativamente más que sus contrapartes pasivas, atrapando a veces casi la mitad de las partículas disponibles en la arena.
El estudio destaca que la clave de este comportamiento es la combinación de autopropulsión y fricción. El movimiento activo impulsa a los brazos a explorar su entorno y colisionar, mientras que la fricción asegura que, una vez que se tocan, permanezcan juntos en lugar de rebotar y separarse. Esto crea un estado de la materia distinto donde la estructura está en constante movimiento pero mantiene una forma colapsada estable. Los investigadores sugieren que este "abrazo activo" podría servir como un plano para diseñar materiales inteligentes que puedan realizar tareas mecánicas sin control externo. Al ajustar la arquitectura de estas estructuras, puede ser posible crear robots blandos o materiales que puedan recolectar carga de forma autónoma, ensamblarse a sí mismos o navegar por entornos complejos, imitando las capacidades adaptativas que se encuentran en los sistemas vivos pero impulsadas enteramente por principios físicos.
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