Física

El movimiento caótico de una colección de varillas moleculares en movimiento activo se puede aprovechar para hacer girar hélices y molinetes de tamaño milimétrico, según nuevos experimentos [1]. El movimiento de la varilla fue impulsado por motores moleculares accionados químicamente que hacen que las varillas vecinas se conecten y pasen entre sí. La capacidad de convertir la energía de estas máquinas microscópicas en movimiento a gran escala podría eventualmente usarse para impulsar pequeñas bombas que funcionan sin energía externa.

La materia activa se refiere a una colección de objetos que pueden moverse por sí mismos a través de algún proceso que consume energía. A menudo se caracteriza por su capacidad para crear orden a partir del desorden. Por ejemplo, ciertas bacterias de forma aislada nadan en ninguna dirección en particular, pero los investigadores han demostrado que estas bacterias pueden girar colectivamente un engranaje microscópico chocando preferentemente contra un lado de las muescas del engranaje [2].

Otros tipos de materia activa exhiben movimiento colectivo a través de una alineación de elementos similares a varillas. Este llamado comportamiento nemático activo es común en ciertos tipos de tejidos biológicos, como capas de células epiteliales alargadas (ver Sinopsis: Células que se extienden y se contraen). Los elementos activos normalmente se alinean entre sí, pero sus movimientos individuales pueden generar regiones de desalineación denominadas defectos. Estas regiones se forman y se mueven de manera impredecible. "Uno de los aspectos intrigantes [de la nemática activa] es que podemos aprovechar este caos generado internamente para crear algún tipo de movimiento coherente", dice Zvonimir Dogic de la Universidad de California, Santa Bárbara.

Dogic y sus colegas realizaron un experimento con un material nemático activo que combina una proteína motora molecular llamada cinesina con biopolímeros en forma de varilla llamados microtúbulos. Dentro de las células, los microtúbulos actúan como carreteras a lo largo de las cuales las moléculas de cinesina arrastran la carga celular. En una sopa concentrada de microtúbulos, una molécula de cinesina puede agarrar dos microtúbulos vecinos y hacer que uno se deslice sobre el otro. Este comportamiento conduce a dos tipos de defectos en los patrones de alineación: defectos "positivos" en forma de cometa y "negativos" triangulares (donde el signo se basa en las orientaciones de los microtúbulos alrededor del defecto).

Los investigadores estudiaron los movimientos de estos dos tipos de defectos en un tanque cilíndrico donde el nemático activo estaba confinado a las dos dimensiones de una interfaz agua-aceite. En el mismo tanque, el equipo colocó objetos flotantes de varios cientos de micrómetros de ancho que tenían una variedad de formas, como círculo, estrella y molinete. El nemático activo empujó los objetos simétricos como el círculo y la estrella pero sin inducir una rotación neta. Por el contrario, el nemático activo hizo que las formas del molinete giraran a una velocidad de alrededor de 0,2 revoluciones por minuto.

Para explicar estas observaciones, el equipo rastreó el movimiento del defecto en el tanque, revelando un patrón inesperado de comportamiento alrededor del molinete: los defectos positivos se formaban rutinariamente justo detrás de las aspas del molinete. Cada defecto recién formado siguió una trayectoria similar de rozar su hoja asociada y luego disparar hacia afuera, un proceso que indujo a que se formara un nuevo defecto detrás de la hoja. Este patrón cíclico produjo una fuerza de rotación neta (par) en el molinete. La velocidad media de las palas en sus puntas era de unos 3 µm/s, que era aproximadamente la mitad de la velocidad media de los defectos. Dogic dice que esta relación de velocidad está en el mismo rango general que el de las turbinas eólicas, cuyas puntas pueden moverse a 7 veces la velocidad promedio del viento (aunque la geometría es diferente).

Sin embargo, la energía de rotación generada fue pequeña en comparación con la cantidad de energía química que queman las moléculas de cinesina. "Se pierde mucha energía y no está muy claro dónde se pierde", dice Dogic. Aún así, prevé aplicaciones potenciales en microfluídica, ya que un nemático activo podría generar un flujo neto en un canal con paredes cubiertas por protuberancias en forma de cuchilla. La ventaja aquí sería que el bombeo sería autosuficiente, no sería necesario suministrar energía externa, dice Dogic.

"Esta investigación representa una hermosa unión de geometría fundamental y topología que da vida a la capacidad de aprovechar materiales activos anisotrópicos para alimentar dispositivos", dice Kathleen Stebe, investigadora de fluidos complejos de la Universidad de Pensilvania. "La materia activa se está convirtiendo en un campo maduro", dice el especialista en materia blanda Seth Fraden de la Universidad de Brandeis en Massachusetts. Los teóricos han modelado experimentos similares, pero ha habido pocas pruebas experimentales, dice. "El desafío para la teoría que plantea este trabajo es reproducir los fenómenos descritos aquí y luego predecir las formas de los engranajes que extraen el máximo trabajo de los fluidos activos turbulentos".

–Michael Schirber

Michael Schirber es editor correspondiente de Physics Magazine con sede en Lyon, Francia.

Sattvic Ray, Jie Zhang y Zvonimir Dogic

física Rev. Lett. 130, 238301 (2023)

Publicado el 9 de junio de 2023

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