Un experimento elegantemente simple con partículas flotantes que se autoensamblan en respuesta a las ondas de sonido ha proporcionado un nuevo marco para estudiar cómo surgen comportamientos aparentemente realistas en respuesta a fuerzas externas.
Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab demostraron cómo las partículas, que flotan en la parte superior de una solución de glicerina-agua, se sincronizan en respuesta a las ondas acústicas emitidas por el altavoz de una computadora.
El estudio, publicado hoy lunes 19 de junio en la revista Materiales de la naturaleza , podría ayudar a abordar preguntas fundamentales sobre la disipación de energía y cómo permite que los sistemas vivos y no vivos se adapten a su entorno cuando están fuera del equilibrio termodinámico.
"El autoensamblaje dinámico sin equilibrio no solo es importante en física, sino también en nuestro mundo viviente", dijo Xiang Zhang, autor correspondiente del artículo y científico principal de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab con una cita conjuntaen UC Berkeley. "Sin embargo, los principios subyacentes que rigen esto se entienden solo parcialmente. Este trabajo proporciona una plataforma simple pero elegante para estudiar y comprender tales fenómenos".
Para escuchar a algunos físicos describirlo, este estado de no equilibrio, caracterizado por la capacidad de cambiar y evolucionar constantemente, es la esencia de la vida. Se aplica a los sistemas biológicos, desde las células a los ecosistemas, así como a ciertos sistemas no biológicos, como el clima o los patrones climáticos. Estudiar los sistemas de no equilibrio hace que los teóricos se acerquen un poco más a comprender cómo emerge la vida, especialmente la vida inteligente.
Sin embargo, es complicado y difícil de estudiar porque los sistemas sin equilibrio son sistemas abiertos, dijo Zhang. Señaló que a los físicos les gusta estudiar cosas que son estables y en sistemas cerrados.
"Mostramos que las partículas 'tontas' individualmente pueden autoorganizarse lejos del equilibrio al disipar energía y emerger con un rasgo colectivo que se adapta dinámicamente y refleja su entorno", dijo el coautor del estudio, Chad Ropp, un postdoctoralinvestigador en el grupo de Zhang. "En este caso, las partículas siguieron el 'latido' de una onda de sonido generada por un altavoz de computadora".
Notablemente, después de que los investigadores separaron intencionalmente el grupo de partículas, las piezas se volverían a ensamblar, mostrando una capacidad de autocuración.
Ropp señaló que este trabajo podría conducir a una amplia variedad de aplicaciones "inteligentes", como el camuflaje adaptativo que responde al sonido y las ondas de luz, o materiales de pizarra en blanco cuyas propiedades están escritas bajo demanda por unidades controladas externamente.
Si bien los estudios anteriores han demostrado que las partículas son capaces de autoensamblarse en respuesta a una fuerza externa, este documento presenta un marco general que los investigadores pueden usar para estudiar los mecanismos de adaptación en sistemas sin equilibrio.
"La distinción en nuestro trabajo es que podemos predecir lo que sucede, cómo se comportarán las partículas, lo cual es inesperado", dijo otro coautor, Nicolas Bachelard, quien también es investigador postdoctoral en el grupo de Zhang.
A medida que las ondas de sonido viajaban a una frecuencia de 4 kilohercios, las partículas dispersas se movían a aproximadamente 1 centímetro por minuto. En 10 minutos, surgió el patrón colectivo de las partículas, donde la distancia entre las partículas era sorprendentemente no uniforme.Los investigadores encontraron que las partículas autoensambladas exhibían un intervalo de banda fonónico, un rango de frecuencia en el que las ondas acústicas no pueden pasar, cuyo borde estaba inextricablemente vinculado o "esclavizado" a la entrada de 4 kHz.
"Esta es una característica que no estaba presente con las partículas individuales", dijo Bachelard. "Solo apareció cuando las partículas se organizaron colectivamente, por eso llamamos a esto una propiedad emergente de nuestra estructura en condiciones de no equilibrio".
El diseño experimental difícilmente podría haber sido más simple. Para la guía de ondas, los investigadores utilizaron un tubo acrílico de 2 metros de largo que contenía un conjunto de 5 mm de profundidad de una solución de glicerina-agua. Las partículas estaban hechas de popotes flotando sobreparte superior de una pieza plana de plástico, y la fuente de sonido provenía de altavoces de computadora que los investigadores dirigieron al tubo a través de un embudo de plástico. La medición de las ondas de sonido resultó ser la parte más técnica del experimento.
"Esto es algo que puedes hacer tú mismo en tu garaje", dijo Ropp. "Fue un experimento muy barato con piezas que están disponibles en la ferretería de tu esquina. En un momento, necesitábamos pajillas más grandes, así que salíy compré un poco de té de boba. La configuración fue extremadamente simple, pero mostró la física maravillosamente ".
El experimento se centró en las ondas acústicas porque la insonorización era más fácil de lograr, pero los principios subyacentes al comportamiento que observaron serían aplicables a cualquier sistema de ondas, dijeron los investigadores.
Esta investigación fundamental podría formar la base para desarrollar redes inteligentes que realicen cálculos no algorítmicos simples, con un futuro hacia sistemas que realicen una toma de decisiones similar a la sensible, dijeron los investigadores.
"Puedo pensar en paralelos con cerebros artificiales, con secciones que responden a diferentes 'ondas cerebrales' de frecuencia que son maleables y reconfigurables", dijo Ropp.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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