Non-reciprocal torques guide self-assembly of active particles into clusters with controllable function
Questo articolo dimostra che i momenti torcenti non reciproci di tipo "turn-towards" consentono l'auto-assemblaggio rapido, di tipo "just-in-time", di particelle attive in cluster colloidali funzionali con moto controllabile (statico, rotante o traslante) senza richiedere forze attrattive, mentre il reset stocastico accelera ulteriormente il processo di assemblaggio evitando percorsi lenti.
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Immaginate un mondo in cui non servono le mani per costruire un castello di Lego. Invece, basta rovesciare i mattoncini su un tavolo e questi si incastrano magicamente tra loro in una torre perfetta, tutto da soli. Questo è il sogno dell'auto-assemblaggio, un concetto che la natura usa per costruire di tutto, dai virus alle membrane cellulari. Ma c'è un problema: di solito, questi componenti che si auto-assemblano sono passivi, come dei mattoncini Lego statici. Possono formare una forma, ma non possono fare nulla. Non possono nuotare, ruotare o marciare. Per realizzare una minuscola macchina che funzioni davvero, i componenti devono essere "attivi", ovvero devono avere un proprio motore interno per muoversi. La grande sfida che gli scienziati affrontano è questa: come si fa a far sì che questi componenti energetici e in movimento non solo si incastrino, ma si allineino anche nella direzione esatta per svolgere un lavoro specifico? Se si assemblano in modo casuale, potreste ottenere una trottola quando volevate una barca, o un ammasso stazionario quando avevate bisogno di un corridore.
Questo articolo esplora una soluzione intelligente a quel problema utilizzando "particelle attive": piccoli puntini auto-propulsi che sfrecciano su una superficie. I ricercatori hanno scoperto un modo per far sì che queste particelle si assemblino in cluster senza bisogno di colla appiccicosa (forze attrattive). Invece, usano una regola speciale: quando una particella vede un vicino, riceve una piccola spinta per girare il proprio lato verso quel vicino. Pensate a un gruppo di amici che cammina in un parco e che continua a girarsi per guardarsi l'un l'altro; questa forza del "guardami" li attira insieme in un cerchio. Ma ecco la magia: poiché stanno tutti girandosi per guardare i propri vicini, le loro direzioni vengono bloccate in un modello specifico. Questo modello determina cosa fa l'intero gruppo. Se il gruppo forma un triangolo, potrebbe stare fermo. Se forma una forma a chevron, potrebbe sfrecciare in avanti. Se forma un parallelogramma, potrebbe ruotare in cerchio. La forma del cluster detta la sua funzione, e i ricercatori hanno scoperto di poter controllare questo aspetto cambiando la forza della "rotazione".
Il team ha anche affrontato il problema della velocità. A volte, queste particelle rimangono bloccate in un modo di costruire lento ed inefficiente, come prendere un percorso tortuoso attraverso un labirinto quando è possibile una strada dritta. Per risolvere il problema, hanno introdotto un trucco chiamato "reset stocastico". Immaginate se, ogni pochi secondi, spegneste brevemente i motori delle particelle e la loro capacità di rotazione, lasciandole disperdersi casualmente prima di riaccendere l'energia. Sembra controintuitivo, ma in realtà aiuta! Scuotendo il sistema, si liberano le particelle dai percorsi lenti e bloccati e si dà loro una nuova possibilità di trovare la via più veloce ed efficiente per l'assemblaggio. Nelle loro simulazioni, questo tasto di "reset" ha fatto sì che le particelle si assemblassero circa 3,5 volte più velocemente.
I ricercatori non hanno costruito un solo tipo di macchina; hanno dimostrato che, cambiando il numero di particelle o la forza della rotazione, potevano programmare i cluster per fare cose diverse. In un gruppo di sei particelle, ad esempio, il cluster poteva passare dall'essere un triangolo statico, a un parallelogramma rotante, fino a un chevron in traslazione. Ancora più incredibile, la forma a chevron poteva imitare il movimento "run-and-tumble" (corri e inciampa) di batteri come l'E. coli. Esso sfrecciava in linea retta (run), poi cambiava improvvisamente configurazione per affrontare una nuova direzione (tumble), e sfrecciava via di nuovo. Questo non era solo un trucco una tantum; le particelle potevano passare tra questi stati ripetutamente.
L'articolo dimostra che l'uso di queste coppie di forze non reciproche (le spinte del "girarsi verso") permette la creazione rapida di "micromacchine colloidali" con funzioni controllabili. Sebbene i risultati siano attualmente basati su simulazioni al computer, le scoperte suggeriscono un modo potente per progettare materiali microscopici. Invece di affidarsi a forze appiccicose che lasciano l'orientamento al caso, possiamo usare regole di rotazione attiva per costruire macchine che si assemblano da sole su richiesta, eseguono un compito specifico e potenzialmente si disassemblano quando il lavoro è terminato. È un passo verso un futuro in cui potremo programmare minuscoli robot auto-assemblanti per costruire, riparare o esplorare a una scala che non possiamo nemmeno vedere con i nostri occhi.
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