Înțelegerea interacțiunilor nereciproce
În fizica clasică, principiul acțiunii și reacțiunii al lui Newton guvernează modul în care obiectele interacționează. Totuși, cercetătorii de la Tokyo University of Science au demonstrat că, atunci când această simetrie este încălcată la nivel microscopic, apar fenomene noi remarcabile. Prin crearea unor sisteme în care o particulă influențează o alta mai puternic decât este ea însăși influențată, echipa a descoperit o nouă metodă de proiectare a materiei active care rămâne într-o mișcare dinamică constantă, în loc să se stabilizeze într-o stare statică, agregată.
Coordonați de Yutaka Sumino și Kiwamu Yoshii, cercetătorii s-au concentrat pe particule coloidale suspendate într-un mediu apos. Prin amestecarea unor particule de polistiren de două dimensiuni distincte (1 µm și 1,5 µm) și supunerea lor la un câmp electric alternativ, echipa a indus fluxuri electrohidrodinamice. Deoarece intensitatea fluxului variază în funcție de dimensiunea particulelor, cele mari exercită o forță de atracție semnificativ mai puternică asupra celor mici decât invers. Aceasta distruge simetria acțiune-reacțiune, creând un sistem nereciproc în care particulele interacționează asimetric.
Apariția structurilor autopropulsate
Cel mai frapant rezultat al acestui dezechilibru este apariția spontană a mobilității din componente statice. Individual, aceste particule coloidale nu sunt autopropulsate. Totuși, atunci când o particulă mare și una mică interacționează, ele formează o pereche asimetrică cu un „cap” și o „coadă” distincte. Aceste asocieri funcționează ca unități autopropulsate care traversează fluidul, fiind puse în mișcare de forțele asimetrice generate de mediul lichid înconjurător.
Acest comportament colectiv depășește simpla formare de perechi. Pe măsură ce unitățile interacționează, ele formează grupuri mai mari și mai complexe. Spre deosebire de sistemele tradiționale în care astfel de grupuri ar crește la nesfârșit în agregate statice, aceste structuri sunt inerent instabile. Asimetria „greoaie” a capului, combinată cu interacțiunile de volum exclus, determină fragmentarea, rearanjarea și reformarea continuă a acestor grupuri. Acest lucru împiedică sistemul să atingă un echilibru de aglomerare, permițându-i să rămână într-o stare de activitate persistentă, asemănătoare unui lichid.
De ce contează
- Materie activă sintetică: Aceste descoperiri oferă un model pentru crearea de materiale care se pot reorganiza singure, ceea ce ar putea fi crucial pentru dezvoltarea de micro-mașinării adaptive sau materiale structurale cu capacitate de auto-reparare.
- Fizica fundamentală: Studiul clarifică faptul că, deși aceste interacțiuni par să încalce principiul al treilea al lui Newton, ele conservă de fapt impulsul prin transferarea acestuia în fluidul înconjurător, care disipă ulterior energia prin frecare cu substratul.
- Principii de design: Cercetarea sugerează că autopropulsia nu trebuie să fie neapărat „programată” în unități individuale. În schimb, aceasta poate apărea ca o proprietate emergentă a interacțiunilor nereciproce, simplificând considerabil proiectarea viitoarelor sisteme biologice sintetice.
Monitorizând peste 10.000 de particule pe perioade lungi de timp, echipa a reușit să facă legătura între dinamica microscopică a perechilor și comportamentul colectiv macroscopic. Această descoperire deschide o nouă frontieră în știința materialelor, sugerând că putem dicta durata de viață și structura materiei sintetice prin simpla ajustare a nereciprocității componentelor sale constitutive.
