Un paso más cerca de la síntesis de un cristal móvil semivivo
Los sistemas biológicos exhiben comportamientos colectivos que son responsables de características increíbles y patrones sorprendentes en la naturaleza. Los cardúmenes de peces, la formación de colonias de bacterias o las bandadas de pájaros presentan un comportamiento adaptativo instantáneo —un «consenso»— entre los individuos y se autoorganizan en patrones colectivos a pesar de su aparente aleatoriedad individual. En la naturaleza predominan los ejemplos de autoorganización y la mejor manera de entender algo —como la vida— es construirlo uno mismo. El comportamiento colectivo de los enjambres es más fácil de estudiar en partículas «activas» que en la materia viva. Un experimento reciente demostró cómo la luz provoca que micromáquinas nadadoras semivivas —partículas sintéticas— se muevan y, seguidamente, se reúnan en grupos, de manera muy parecida a como las aves se congregan en bandadas y se mueven al unísono durante el vuelo. A pesar de los avances en este campo, hasta el momento, los estudios se han centrado en coloides, suspensiones de partículas, dentro de un medio fluido. «Se dispone de poca información sobre cómo se comportan las partículas activas en fases coloidales más densas, como las estructuras cristalinas y vítreas. Las partículas activas embebidas en estructuras sólidas podrían servir como componentes básicos prometedores para el diseño de nuevos materiales dinámicos y móviles», explica Ivo Buttinoni, coordinador del proyecto financiado con fondos europeos MicACol.
Observación del nado de las microesferas de Jano en cristales
El proyecto probó ejemplos de redes activas bidimensionales mediante el análisis de las fuerzas críticas que las partículas activas deben superar para hacer que la estructura cristalina sea móvil. Convertir la energía en autopropulsión es particularmente difícil a micro y nanoescala. «Mientras que los objetos macroscópicos utilizan la inercia para nadar en un fluido, las micro y nanopartículas en agua se comportan como si estuvieran inmersas en un fluido tremendamente viscoso, como la miel o la maicena, donde la inercia no actúa. Para nadar, las partículas coloidales necesitan romper la llamada simetría de inversión temporal, es decir, deben poseer propiedades asimétricas», resume Buttinoni. Las partículas esféricas cuya superficie posee dos propiedades físicas distintas, como las microesferas semiencapsuladas, constituyen un banco de pruebas ideal para estudiar esta violación de la simetría. Los dos hemisferios de estas partículas de Jano interactúan de manera diferente con el medio circundante y establecen gradientes térmicos o químicos locales. Los investigadores de MicACol emplearon un método de autopropulsión conocido en el que se usan partículas parcialmente recubiertas de platino y se sumergen en una disolución de agua y peróxido de hidrógeno. Los coloides se vieron obligados a autopropulsarse debido a que el peróxido de hidrógeno se escindía (era catalizado) por el hemisferio recubierto de platino. En un primer momento, el proyecto demostró que las partículas esféricas presentan fuerzas de repulsión de largo alcance en la interfaz de los dos líquidos. «Las partículas autopropulsadas actuaron como si fueran impulsadas por una fuerza efectiva proporcional a su velocidad de natación libre. Creemos que el mismo principio puede aplicarse a estructuras más complejas como los vidrios coloidales», añade Buttinoni.
Salida del equilibrio
Hasta la fecha, la mayoría de los experimentos habían incorporado partículas activas como intrusos en la red y que ocupan posiciones aleatorias lejos de los puntos de la red. El experimento de MicACol adoptó un enfoque diferente para estudiar la mecánica de las partículas en el régimen fuera de equilibrio. Buttinoni explica: «Nuestro objetivo era determinar las fuerzas críticas necesarias para sacar a las partículas activas de sus posiciones de equilibrio en la red. Cuantificar las fuerzas locales (repulsivas) ofrece un “control” adicional para dirigir el movimiento del micronadador en el cristal. Como resultado, sabemos qué tipo de partículas activas necesitamos añadir para hacer que la estructura del cristal actúe [sea activa]». Puede que los investigadores aún estén lejos de sintetizar materia activa artificial sólida, por ejemplo, materiales dinámicos o móviles tridimensionales. Sin embargo, los investigadores de MicACol han adoptado un enfoque poco convencional que amplía las fronteras en este campo de estudio.
Palabras clave
MicACol, partículas activas, coloides, cristales semivivos, autoorganización, microesferas de Jano, autopropulsión
