Las bandadas de estorninos que producen patrones deslumbrantes en el cielo son ejemplos naturales de materia activa: grupos de agentes individuales que se unen para crear dinámicas colectivas. En un estudio presentado en la portada de la edición del 6 de marzo de la revista ciencia , un equipo de investigadores que incluye físicos de la Universidad de Brown revela nuevas ideas sobre lo que sucede dentro de los sistemas de materia activa.
La investigación describe experimentos usando una nemática activa tridimensional. Nematic describe un estado de la materia que emerge en el tipo de cristales líquidos ampliamente utilizados en teléfonos inteligentes y pantallas de televisión. Las moléculas en forma de cigarro en los cristales líquidos pueden moverse como enun líquido, pero tiende a mantenerse ordenado más o menos en la misma dirección, un poco como un cristal.
En un cristal líquido normal, las moléculas son pasivas, lo que significa que no tienen la capacidad de autopropulsarse. Pero el sistema involucrado en este nuevo estudio reemplaza esas moléculas pasivas con pequeños haces de microtúbulos, cada uno con la capacidad de consumircombustible y propulsión. El objetivo de la investigación fue estudiar cómo esos elementos activos afectan el orden del sistema.
"Estos microtúbulos tienden a alinearse, pero también destruyen continuamente su propio orden de alineación con su movimiento", dijo el coautor del estudio Daniel Beller, profesor asistente de física en la Universidad de California, Merced, quien comenzó a trabajar en la investigación mientras élfue investigador postdoctoral en Brown. "Así que hay movimientos colectivos que crean defectos en la alineación, y eso es lo que estudiamos aquí".
A medida que el sistema evoluciona, los defectos parecen cobrar vida en cierto sentido, creando líneas, bucles y otras estructuras que serpentean a través del sistema. Los investigadores estudiaron las estructuras usando la topología, una rama de las matemáticas relacionadas con la forma en que las cosas se deforman sin romperse.
"Si su objetivo es comprender la dinámica de estos sistemas, entonces una forma de hacerlo es centrarse en estas estructuras topológicas emergentes como una forma de caracterizar la dinámica", dijo Robert Pelcovits, profesor de física en Brown y uncoautor del estudio: "Si podemos obtener principios rectores de este sistema simple, eso podría ayudarnos a comprender los más complicados"
Beller, Pelcovits y Thomas Powers, profesor de ingeniería y física en Brown, dirigieron el trabajo teórico para el estudio. El trabajo experimental fue realizado por investigadores de la Universidad de Brandeis y la Universidad de California, Santa Bárbara. Investigadores del Max PlanckEl Instituto de Dinámica y Autoorganización, la Universidad de Chicago, Brandeis y la Universidad Tecnológica de Eindhoven contribuyeron con experiencia en modelado por computadora.
Este tipo de trabajo se había realizado en sistemas bidimensionales, pero esta es la primera vez que se estudia un sistema 3D de esta manera. La investigación mostró que las estructuras topológicas dominantes en el sistema eran estructuras de bucle que emergen espontáneamente, se expandeny luego auto-aniquilarse.
Los bucles están relacionados con los tipos de defectos que surgen en sistemas 2D mejor estudiados, pero difieren en una forma clave, dicen los investigadores. En 2D, los defectos surgen en pares de puntos que tienen características opuestas o "cargas",un poco como partículas y antipartículas. Una vez que se forman, existen hasta que finalmente se topan con un defecto con la carga opuesta, lo que hace que se aniquilen.
Los bucles que se forman en 3D, por el contrario, no tienen carga. Como resultado, se forman y aniquilan por sí mismos. Sin embargo, todavía están relacionados con las estructuras de defectos 2D. De hecho, los bucles 3D pueden serpensado como extensiones de defectos de puntos 2D. Imagine dos defectos de puntos sentados en una superficie 2D. Ahora conecte esos dos puntos con un arco que se eleva fuera de la superficie 2D, y un segundo arco en la parte inferior de la superficie. El resultado esun bucle que tiene ambas cargas de los puntos, pero es en sí mismo una carga neutral. Eso permite la nucleación y la aniquilación por sí mismas.
Los investigadores esperan que esta nueva comprensión de la dinámica de este sistema sea aplicable en sistemas del mundo real como colonias bacterianas, estructuras y sistemas en el cuerpo humano u otros sistemas.
"Lo que encontramos aquí es un conjunto bastante general de comportamientos que creemos estarán completamente presentes en sistemas similares que tienen esta tendencia a alinearse, pero que también están transformando la energía almacenada en movimiento", dijo Beller.
La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía DE-SC0010432TDD, la National Science Foundation NSF-DMR-1855914, NSF-MRSEC-1420382, CBET-1437195, MCB090163, MRSEC-1420382, la Oficina de Investigación del Ejército W911NF-19-1-0268 y los Institutos Nacionales de Salud 5R00HD088708-05.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :