Una investigación de la Universidad de Extremadura explica por primera vez que el movimiento colectivo de la materia activa puede cambiar sin necesidad de que la forma de sus partículas cambie, como se consideraba hasta ahora.

 En Física se define materia activa a las agrupaciones de elementos que tienen un movimiento sistemático, es decir, que son autopropulsados. Son ejemplo de ello, una célula, una bacteria, un virus, etc. Siempre que el movimiento de la partícula sea en parte autodirigido, dicho de otra forma, que su movimiento no dependa de otras fuerzas externas, se trata de materia activa.

Conocer y comprender el movimiento de esta materia es fundamental para la ciencia. Por ejemplo, estos conocimientos son empleados en el campo de la biomedicina, se pueden utilizar prototipos que imitan el movimiento o, incluso, tejidos biológicos. En la Universidad de Extremadura se ha utilizado un prototipo con partículas creadas mediante impresoras 3D. “No está vivo ni es una macromolécula, sin embargo, su movimiento es similar al de sistemas de bio-partículas con rotación sistemática”, explica Francisco Vega Reyes, profesor de la UEx e investigador principal en el proyecto. Dichas partículas, fabricadas con impresión 3D y con forma de discos planos con aspas, se colocan en una mesa de aire de alta velocidad, cuyo flujo tiene un componente caótico. Las aspas causan las asimetrías de la partícula, que las hará rotar sistemáticamente siempre en un sentido.

Se ha podido observar que el flujo turbulento golpea las partículas de forma que se mueven en direcciones aleatorias. Pero también, al pasar a través de las aspas, crea un movimiento rotatorio sistemático.  Así se comprueba que existen dos formas de movimiento en este sistema de partículas activas: uno mediante rotaciones sobre sí mismas y dirigidas siempre en el mismo sentido, y otro movimiento caótico de traslaciones. “A veces los movimientos dirigidos de las partículas generan en un movimiento colectivo. Esta es la razón por la que todas las partículas en su conjunto tienden a rotar en el mismo sentido que las partículas individuales”, agrega el investigador de la UEx.

El principal resultado de esta investigación, publicado en la revista de Communications Physics (de la editorial Nature), es que el equipo ha comprobado que las partículas pueden cambiar el sentido de su rotación colectiva, sin necesidad de cambiar la orientación de sus aspas. Este descubrimiento innovador contradice la anterior idea de que, si una partícula tenía algún tipo de asimetría (en este caso llamada quiralidad), esta dictaba necesariamente el giro global del sistema.

Francisco Vega señala que han hallado tres tipos de movimientos colectivos mediante una descripción teórica que permite explicar esta transición de fase o de comportamiento. En primer lugar, existe la rotación natural, en la que el fluido gira en el mismo sentido de la partícula. Por otro lado, encontramos el movimiento de rotación inversa, en el que la dirección del fluido (rotación colectiva) se invierte. Al pasar de una fase a otra, se produce el último movimiento en el que la rotación colectiva se detiene, es decir, el fluido se convierte en un gas normal donde solo existe un movimiento caótico.

Francisco Vega y su equipo están llevando ya a cabo el siguiente paso de esta investigación junto con el Centro Europeo de Cálculo Atómico y Molecular (CECAM) de la Escuela Politécnica de Lausana (EPFL) en Suiza. Son dos los objetivos propuestos: por un lado, quieren hacer una extensión de los experimentos a simulaciones de ordenador y, además, pretenden realizar un estudio teórico sobre el comportamiento de una única partícula rotatoria.

Referencia:

Francisco Vega Reyes, Miguel A. López-Castaño, Alejandro Márquez Seco, Alicia Márquez Seco, Álvaro Rodríguez- Rivas. “Chirality transitions in a system of active flat spinners”. Physical Review Research 4,033230 (2022) https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.033230

Francisco Vega Reyes, Miguel A. López- Castaño, A. Rodríguez Rivas. “Chiral flow in a binary mixture of two- dimensional active disks”. Frontiers in Physics (2022) https://doi.org/10.3389/fphy.2022.972051

Francisco Vega Reyes, Miguel A. López- Castaño, A. Rodríguez Rivas. “Diffusive regimes in a two-dimensional chiral fluid” Communications Physics  5, 256 (2022) https://doi.org/10.1038/s42005-022-01032-9