Diferențe chimice minime transformă mișcarea haotică a picăturilor în structuri ordonate
O echipă de cercetători de la Universitatea din Trento, împreună cu specialiști de la Universitatea Sorbonne din Paris și Universitatea din Copenhaga, a demonstrat că o variație chimică infimă poate transforma o mișcare dezordonată și haotică într-o structură coordonată și reproductibilă. Rezultatele studiului au fost publicate în revista npj Soft Matter.
Cercetarea se încadrează în domeniul materiei moi „active”, compusă din unități aflate în afara echilibrului termodinamic, capabile să absoarbă energie din mediu sau dintr-o rezervă chimică internă și să o convertească direct în mișcare autonomă. Experimentul a implicat 50 de picături de ulei plasate pe apă, care eliberează o substanță ce le permite să se deplaseze singure.
La început, picăturile se mișcă rapid, ciocnindu-se și ricoșând una de cealaltă. Pe parcursul experimentului, însă, acestea tind să se agregheze într-o structură ordonată. Noutatea reală față de studii similare anterioare a constat într-o mică variație: 25 dintre picături au fost colorate în albastru, iar 25 în roșu.
Colorantul nu a servit doar la etichetarea picăturilor. Deși reprezintă o modificare chimică infimă, acesta a alterat ușor suprafața picăturilor, afectând viteza cu care acestea își consumau „combustibilul” și, implicit, structura finală care se formează.
Cercetătorii descriu cinci faze reproductibile ale procesului de auto-asamblare. La început, picăturile se ciocnesc haotic. Pe măsură ce consumă combustibil, picăturile albastre încetinesc primele și încep să se lipească între ele. Picăturile roșii, încă rapide și active, ajung să le prindă pe cele albastre, împingându-le spre centru și confinându-le acolo.
Odată ce combustibilul se epuizează, activitatea se oprește. Rezultatul este o „plută” perfect ordonată și imobilă, cu un nucleu de picături albastre înconjurat de un inel exterior de picături roșii.
Autorii explică faptul că este un exemplu perfect de „fenomen emergent”, similar comportamentului stolurilor de păsări: individul nu are o viziune de ansamblu și urmează reguli locale, însă grupul se mișcă asemenea unui singur organism coordonat. Dacă picăturile ar fi fost la fel de active, acestea s-ar fi amestecat aleatoriu fără a forma vreodată o structură concentrică.
Prin modificarea doar a unei nuanțe în activitate, cercetătorii au reușit să „programeze” organizarea finală a materiei. Coexistența dintre sensibilitatea extremă la variații microscopice și reproductibilitatea strictă la nivel macroscopic reprezintă unul dintre cele mai remarcabile aspecte ale acestui sistem.
Perspective de aplicare
Obiectivul pe termen lung al cercetătorilor se încadrează în domeniul „sistemelor bio-inspirate”, unde își propun să înțeleagă modul în care informația conținută în componentele individuale poate controla întregul sistem, punând bazele materialelor viitorului: dinamice, receptive și capabile să se adapteze la mediul înconjurător.
Mai concret, studiul oferă instrumente noi pentru a ghida auto-asamblarea autonomă a materiei acționând simplu asupra vitezei și activității elementelor constituente, fără a fi nevoie de componente electronice sau senzori fizici. Acest lucru deschide perspective potențial transformatoare în domeniul materiei moi active: de la materiale inteligente capabile să se adapteze la mediu, să se autorepare sau să se auto-asambleze — precum țesuturile care se regenerează în proteze biomedicale — până la dispozitive de robotică lichidă.
Din echipa de cercetare fac parte Roberto Menichetti și Raffaello Potestio de la Departamentul de Fizică al Universității din Trento și de la INFN-TIFPA, Martin Hanczyc și Silvia Holler de la Departamentul de Biologie Celulară, Computațională și Integrativă (CIBIO) al Universității din Trento, primul autor Matteo Scandola (Universitatea Sorbonne, anterior cercetător la Universitatea din Trento) și Richard Löffler de la Universitatea din Copenhaga.
