Collective self-sorting on a chip

A ordenação é um ato fundamental de organização, o processo pelo qual um emaranhado caótico de coisas diferentes encontra o seu lugar. No mundo silencioso da física, onde os sistemas permanecem em repouso, essa organização geralmente acontece porque os componentes se acomodam no estado de menor energia, como pedras afundando no fundo de um lago. Mas o mundo raramente está parado. Em sistemas que estão constantemente em movimento e utilizando energia — o que os cientistas chamam de matéria ativa — as regras mudam. Aqui, as partículas não esperam por um leve empurrão do calor para se moverem; elas se impulsionam. Quando essas partículas autopropelidas se misturam com outras que se movem de forma diferente, elas podem se separar espontaneamente, não porque estejam cansadas, mas porque o seu próprio movimento as empurra para longe umas das outras. Este fenômeno oferece uma nova maneira de ordenar objetos microscópicos sem peneiras externas ou maquinários complexos, contando com o próprio comportamento das partículas para realizar o trabalho.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Leiden transformou agora este princípio em um dispositivo funcional, um chip microfluídico que ordena uma mistura de minúsculas partículas autopropelidas simplesmente guiando-as através de um caminho curvo. Os cientistas começaram com uma mistura de dois tipos de micro-rolos, um feito de poliestireno e o outro de um plástico diferente chamado polimetilmetacrilato. Quando colocadas em um líquido específico e submetidas a um campo elétrico, essas partículas começam a rolar pela superfície, formando uma multidão densa e turbulenta. Os pesquisadores descobriram que, se os dois tipos de partículas se moverem em velocidades diferentes, elas se separam naturalmente: as mais rápidas migram para a borda externa do redemoinho, enquanto as mais lentas se agrupam no centro. Esta separação não é determinada pelo tamanho das partículas ou pelo material de que são feitas; ela é impulsionada inteiramente pela diferença em sua velocidade. Ao ajustar o campo elétrico, a equipe pôde até mesmo inverter qual tipo de partícula era mais rápida, invertendo instantaneamente o padrão de ordenação para que o novo líder ocupasse o anel externo.

Para entender exatamente como essa separação funciona e como torná-la útil, os pesquisadores construíram um modelo computacional que simulou o comportamento de milhares dessas partículas. Eles confirmaram que a diferença de velocidade, por si só, era suficiente para impulsionar a separação, mesmo quando as partículas tinham tamanhos diferentes. As simulações também revelaram um detalhe crucial sobre a forma do recipiente: a separação ocorre de forma mais eficiente quando as partículas são confinadas em um espaço pequeno e curvo. Um círculo grande e aberto permitia que a separação ocorresse, mas levava muito tempo. Um círculo menor e mais apertado forçava as partículas a se reorganizarem muito mais rápido. Essa percepção levou a um princípio de design fundamental: para ordenar partículas de forma rápida e eficaz, deve-se utilizar uma série de canais pequenos e curvos em vez de uma única sala grande.

Os pesquisadores então traduziram essas descobertas em um dispositivo físico. Eles projetaram um chip com um canal sinuoso, em forma de serpente, composto por sucessivas seções curvas. À medida que a suspensão mista de partículas flui para dentro do dispositivo, as partículas mais rápidas são empurradas para a parede externa de cada curva, enquanto as mais lentas são empurradas para a parede interna. Ao final de cada seção curva, uma pequena parede direciona o fluxo externo de partículas rápidas para uma saída e o fluxo interno de partículas lentas para outra. A equipe testou esse design com partículas reais, injetando uma suspensão mista no chip. Enquanto a mistura percorria as dez unidades curvas do dispositivo, a separação tornava-se mais pronunciada a cada curva. Quando as partículas chegavam ao fim, os dois tipos estavam amplamente ordenados em fluxos distintos, com as partículas mais rápidas sendo coletadas em uma saída e as mais lentas na outra.

Este trabalho demonstra que o comportamento coletivo de partículas ativas pode ser aproveitado para criar uma máquina de ordenação contínua e autônoma. O dispositivo não requer partes móveis complexas ou campos externos para separar os componentes uma vez que o fluxo é iniciado; a geometria do canal e a própria motilidade das partículas fazem o resto. Os pesquisadores mostraram que, ao ajustar cuidadosamente a curvatura do caminho e a posição das paredes internas, eles podiam controlar tanto o quão puros eram os fluxos separados quanto quantas partículas eram coletadas com sucesso. Embora o dispositivo tenha sido testado com um tipo específico de partícula autopropelida, o princípio subjacente sugere um novo caminho para separar objetos microscópicos com base na velocidade com que se movem, oferecendo uma ferramenta potencial para futuras aplicações em microfluídica, onde a ordenação suave e contínua é necessária.