Active embracement enables autonomous tweezing in active star polymers
Questo studio rivela che i polimeri a stella attivi esibiscono un fenomeno di non equilibrio chiamato "abbraccio attivo", in cui le braccia auto-propulsi superano la repulsione sterica per collassare autonomamente e catturare le particelle circostanti, funzionando efficacemente come pinzette microscopiche per la manipolazione mirata del carico.
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Gli esseri viventi possiedono una straordinaria capacità di cambiare la propria forma e funzione autonomamente. Una cellula può riorganizzare il proprio scheletro interno per muoversi, o una proteina può ripiegarsi in una forma precisa per svolgere un compito, il tutto senza che una mano esterna guidi il processo. Gli scienziati cercano da tempo di ricreare questo tipo di comportamento autodiretto in materiali sintetici, sperando di costruire macchine morbide che possano ripiegarsi, avvolgere o afferrare oggetti usando semplicemente la propria energia interna. Sebbene i ricercatori abbiano creato con successo materiali che si gonfiano, si tendono o oscillano quando vengono energizzati, far sì che compiano un compito meccanico specifico — come avvolgersi attorno a un vicino per afferrarlo — è rimasto una sfida difficile. La maggior parte dei materiali attivi si limita a muoversi o a cambiare le proprie dimensioni complessive, ma mancano del controllo coordinato necessario per interagire con l'ambiente in modo mirato.
Un team di ricercatori ha scoperto un nuovo modo per ottenere questo tipo di presa autonoma utilizzando un tipo speciale di struttura a forma di stella. Hanno costruito e studiato "polimeri stellari attivi", che non sono fatti di piccole molecole ma di grandi particelle, di dimensioni centimetriche, visibili a occhio nudo. Ognuna di queste strutture consiste in un nucleo centrale passivo con diverse braccia che si estendono verso l'esterno. Le braccia sono fatte di particelle più piccole progettate per muoversi da sole quando poste su una superficie vibrante. Combinando esperimenti fisici con simulazioni al computer, i ricercatori hanno scoperto che le loro braccia avvolgono spontaneamente il nucleo centrale e l'una intorno all'altra, abbracciando efficacementamente la struttura in una palla stretta. Questo fenomeno, che chiamano "abbraccio attivo" (active embracement), permette al polimero stellare di collassare in una forma compatta, di raggrupparsi con altre stelle o persino di protendersi per catturare particelle libere che fluttuano nelle vicinanze, funzionando molto come una coppia di pinzette autonome.
I ricercatori hanno costruito questi polimeri stellari utilizzando la stampa 3D per creare particelle personalizzate. Il nucleo centrale è un cilindro passivo che si muove casualmente, come un granello di polvere nell'acqua. Attaccate a questo nucleo ci sono diverse braccia, ciascuna composta da una catena di particelle attive. Queste particelle attive sono dotate di sette piccole gambe inclinate a un angolo specifico. Quando l'intero sistema viene posto su una piastra che vibra verticalmente a una frequenza di 100 volte al secondo, le gambe inclinate causano il salto e il movimento delle particelle attive in una direzione specifica, conferendo loro un moto auto-propulso persistente. Le braccia sono collegate al nucleo e tra di loro da collegamenti rigidi che permettono loro di ruotare liberamente ma mantengono fissa la distanza tra le particelle. I ricercatori hanno testato queste strutture in un'arena circolare, osservando come si comportavano con diversi numeri di braccia e diverse lunghezze delle braccia.
In assenza di questo moto auto-propulso, le braccia di un polimero stellare si limiterebbero a sparpagliarsi, spinte via dal fatto che non possono occupare lo stesso spazio. Tuttavia, quando le braccia sono attive, il comportamento cambia drasticamente. Il moto costante delle braccia causa collisioni tra di esse. Poiché le particelle sono fatte di un materiale che genera attrito quando si toccano, queste collisioni non si limitano a respingerle; al contrario, l'attrito le rallenta e le fa aderire tra loro. Ciò porta a uno stato in cui le braccia si avvolgono attorno al nucleo centrale e l'una attorno all'altra, facendo collassare l'intera struttura in una forma globulare compatta. I ricercatori hanno osservato questo comportamento di auto-collasso sia nei loro esperimenti fisici che nei loro modelli informatici, notando che accade indipendentemente dal numero di braccia della stella o dalla lunghezza di tali braccia.
Questo meccanismo di avvolgimento e adesione non è limitato all'interazione di un singolo polimero stellare con se stesso. Quando più polimeri stellari attivi vengono posti insieme, non si respingono come farebbero oggetti passivi. Al contrario, le loro braccia attive si protendono per abbracciare le braccia delle stelle vicine. L'attrito derivante da questi contatti rallenta il moto relativo delle diverse stelle, causando il loro raggruppamento e mantenendole in stretto contatto per lunghi periodi. Le simulazioni al computer hanno confermato che questo raggruppamento è una diretta conseguenza del moto attivo e dell'attrito tra le particelle; senza l'attrito, le stelle si sarebbero semplicemente urtate e sarebbero rimaste separate.
Forse la dimostrazione più sorprendente di questo comportamento è la capacità di un polimero stellare attivo di catturare e trasportare oggetti passivi. Quando i ricercatori hanno inserito particelle libere e non in movimento nell'arena insieme a un polimio stellare attivo, le braccia della stella si sono avvolte spontaneamente attorno alle particelle libere, intrappolandole all'interno della struttura collassata. La stella attiva ha effettivamente "afferrato" le particelle passive e le ha trasportate mentre si muoveva. Al contrario, un polimero stellare passivo, privo del moto auto-propulso, non poteva catturare nulla; le sue braccia si limitavano a spingere via le particelle libere. I ricercatori hanno misurato quante particelle venivano catturate a diverse densità e hanno scoperto che le stelle attive ne catturavano significativamente di più rispetto alle controparti passive, intrappolandone talvolta quasi la metà delle particelle disponibili nell'arena.
Lo studio evidenzia che la chiave di questo comportamento è la combinazione di auto-propulsione e attrito. Il moto attivo spinge le braccia a esplorare l'ambiente circostante e a collidere, mentre l'attrito assicura che, una volta toccate, esse rimangano unite invece di rimbalzare via. Ciò crea uno stato distinto della materia in cui la struttura è in costante movimento ma mantiene una forma collassata stabile. I ricercatori suggeriscono che questo "abbraccio attivo" possa servire come modello per progettare materiali intelligenti capaci di eseguire compiti meccanici senza controllo esterno. Regolando l'architettura di queste strutture, potrebbe essere possibile creare robot morbidi o materiali in grado di raccogliere autonomamente carichi, assemblarsi o navigare in ambienti complessi, imitando le capacità adattive tipiche dei sistemi viventi ma guidate interamente da principi fisici.
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