Collective self-sorting on a chip

La selezione è un atto fondamentale di organizzazione, il processo attraverso il quale un groviglio caotico di cose diverse trova il proprio posto. Nel silenzioso mondo della fisica, dove i sistemi riposano, questa organizzazione avviene solitamente perché i componenti si assestano nello stato di energia più bassa, come pietre che affondano sul fondo di uno stagno. Ma il mondo raramente è immobile. Nei sistemi che sono in costante movimento e che utilizzano energia — ciò che gli scienziati chiamano materia attiva — le regole cambiano. Qui, le particelle non aspettano una leggera spinta dal calore per muoversi; esse si propellono da sole. Quando queste particelle auto-propulse si mescolano con altre che si muovono diversamente, possono separarsi spontaneamente, non perché siano stanche, ma perché il loro stesso movimento le spinge lontano l'una dall'altra. Questo fenomeno offre un nuovo modo per selezionare oggetti microscopici senza setacci esterni o macchinari complessi, affidandosi invece al comportamento delle particelle stesse per svolgere il lavoro.

Un team di ricercatori dell'Università di Leiden ha ora trasformato questo principio in un dispositivo funzionante, un chip microfluidico che seleziona una miscela di minuscole particelle auto-propulse semplicemente guidandole attraverso un percorso curvo. Gli scienziati sono partiti con una miscela di due tipi di rulli microscopici, uno fatto di polistirene e l'altro di una plastica diversa chiamata polimetilmetacrilato. Quando vengono posti in un liquido specifico e sottoposti a un campo elettrico, queste particelle iniziano a rotolare sulla superficie, formando una folla densa e vorticosa. I ricercatori hanno scoperto che se i due tipi di particelle si muovono a velocità diverse, si separano naturalmente: quelle più veloci migrano verso il bordo esterno del vortice, mentre quelle più lente si radunano al centro. Questa separazione non è determinata dalle dimensioni delle particelle o dal materiale di cui sono fatte; è guidata interamente dalla differenza nella loro velocità. Regolando il campo elettrico, il team è stato persino in grado di invertire quale tipo di particella fosse più veloce, capovolgendo istantaneamente il modello di selezione in modo che il nuovo leader prendesse l'anello esterno.

Per capire esattamente come funziona questa separazione e come renderla utile, i ricercatori hanno costruito un modello informatico che simulava il comportamento di migliaia di queste particelle. Hanno confermato che la differenza di velocità da sola era sufficiente a guidare la separazione, anche quando le particelle avevano dimensioni diverse. Le simulazioni hanno anche rivelato un dettaglio cruciale riguardo alla forma del contenitore: la separazione avviene in modo più efficiente quando le particelle sono confinate in uno spazio stretto e curvo. Un cerchio grande e aperto permetteva alla separazione di avvenire, ma richiedeva molto tempo. Un cerchio più piccolo e stretto costringeva le particelle a riorganizzarsi molto più velocemente. Questa intuizione ha portato a un principio di progettazione chiave: per selezionare particelle in modo rapido ed efficace, si dovrebbe utilizzare una serie di piccoli canali curvi piuttosto che una singola stanza grande.

I ricercatori hanno poi tradotto queste scoperte in un dispositivo fisico. Hanno progettato un chip con un canale sinuoso, a forma di serpente, composto da sezioni curve successive. Mentre la sospensione mista di particelle scorre nel dispositivo, le particelle più veloci vengono spinte verso la parete esterna di ogni curva, mentre quelle più lente vengono spinte verso la parete interna. Alla fine di ogni sezione curva, una piccola parete indirizza il flusso esterno di particelle veloci verso un'uscita e il flusso interno di particelle lente verso un'altra. Il team ha testato questo design con particelle reali, iniettando una sospensione mista nel chip. Mentre la miscela viaggiava attraverso i dieci moduli curvi del dispositivo, la separazione diventava più pronunciata a ogni curva. Al termine del percorso, le due tipologie di particelle erano state ampiamente selezionate in flussi distinti, con le particelle più veloci raccolte a un'uscita e quelle più lente all'altra.

Questo lavoro dimostra che il comportamento collettivo delle particelle attive può essere sfruttato per creare una macchina di selezione continua e autonoma. Il dispositivo non richiede parti mobili complesse o campi esterni per separare i componenti una volta avviato il flusso; la geometria del canale e la motilità delle particelle stesse fanno il resto. I ricercatori hanno dimostrato che, regolando attentamente la curvatura del percorso e la posizione delle pareti interne, potevano controllare sia la purezza dei flussi separati sia la quantità di particelle raccolte con successo. Sebbene il dispositivo sia stato testato con un tipo specifico di particella auto-propulsa, il principio sottostante suggerisce una nuova via per separare oggetti microscopici in base alla loro velocità, offrendo uno strumento potenziale per future applicazioni nella microfluidica dove è necessaria una selezione dolce e continua.