Materia Activa

15/04/2017 1 comentario
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Se llama así a las agrupaciones de elementos autopropulsados. La organización de los semovientes en bandadas es un fenómeno curioso, y su análisis está produciendo interesantes resultados.

Una bandada de estorninos puede llegar a contar con cientos de miles de pájaros (aunque normalmente son solo unas decenas de miles). Las formas que adoptan son realmente sorprendentes; en Youtube se pueden encontrar varias películas ilustrativas, como ésta:

También los bancos de peces se mueven de manera síncrona y organizada. En la película "Buscando a Nemo" hay una escena divertida: el padre de Nemo pide indicaciones para llegar a Sydney, y el banco de peces responde adoptando diversas formas (un tiburón, un pulpo, un barco, la silueta de Sydney, una flecha... ). El hecho es que muchos colectivos de animales se mueven así, de modo que el enjambre parece tener vida propia.

Para analizar de manera controlada esta organización espontánea, hay que recurrir a otros elementos más manejables. Ernesto Altshuler ha hecho de mayor lo que otros hicimos de niños: extasiarse horas y horas ante un hormiguero. Lo cuenta en "Guerrilla Science" (un libro lleno de anécdotas, por lo demás, donde también relata una visita que hizo a mi laboratorio). La página Web de Ernesto merece una visita, en particular por su apartado de divulgación científica. Las hormigas, de todas maneras, se comportan de una manera bastante ordenada y cortés (no se atropellan y se ceden el paso).

Eric Clément, por su parte, trabaja con bacterias (E. coli, para ser exactos). A las suspensiones de bacterias les llama "suspensiones activas", y tienen intrigantes propiedades. Por ejemplo: parece que al ser absorbida la suspensión a través de una aguja aspirando con una jeringa, la concentración varía de manera inesperada... En fin, el grupo de S. Rafai, en el Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble), emplea un alga microscópica llamada Chlamydomonas reinhardtii, que se dirige hacia la luz verde.

Hay otra manera más sutil de conseguir un conjunto de partículas autopropulsadas. Consiste en recubrir los dos hemisferios de una bolita de materiales diferentes. Uno de esos materiales debe ser un catalizador de cierta reacción y el otro no. Si se sumergen esas bolitas en una solución que contenga los reactivos, la reacción se dará preferentemente en uno de los hemisferios, y puede llegar a impulsar la bolita. Esas partículas se llaman como el dios Jano, que tenía dos caras.

También se puede conseguir ese efecto (que las partículas se muevan de forma autónoma) recubriendo un hemisferio de una sustancia que absorba la luz, y otro que no. Luego se crea un patrón con un láser, y en cierta solución la diferencia de materiales puede acabar dirigiendo el movimiento de las bolitas. Eso es lo que hace Celia Lozano, como explica en un artículo publicado en Nature Communications (es de acceso libre). Celia está ahora en el grupo de C. Bechinger, donde todo un equipo investiga sobre el tema. Hace poco C. Bechinger y otros investigadores publicaron un largo artículo especializado sobre las partículas activas en Review of Modern Physics. (Este sí, sólo es accesible por suscripción). Ciertamente, todas estas partículas no son seres vivos, pero sus movimientos colectivos hace que sirvan como modelo para la materia activa.

Muchos de estos trabajos tienen como objetivo (declarado o al menos colateral) el autoensamblaje de pequeñas piezas. A estas partículas que se mueven de manera dirigida se les llama microswimmers (algo así como micronadadores). Se intenta lograr que se dirijan de manera controlada a un lugar, o bien que se acoplen para formar estructuras a una escala mayor (a esto se le denomina self-assembly, o autoensamblaje). Emanuela Zaccarelli propone por su parte que en vez de manipular las partículas se modifiquen las propiedades de la solución, para que así se pueda dirigir su movimiento a voluntad.

Para comprender estos movimientos, T. Vicsek propuso un modelo simple, que ha tenido mucho éxito. Consiste en suponer que los semovientes se trasladan con velocidad constante y acoplan su dirección a la de los vecinos, con una cierta tendencia, si bien se pueden producir movimientos discordantes esporádicos ("ruido"). Este modelo reproduce bastante bien algunas observaciones. Dependiendo de la densidad de las partículas y de la intensidad del ruido, puede producirse una transición de fase entre un enjambre ordenado y otro desordenado.

Ignacio Pagonabarraga y su grupo, en la Universidad de Barcelona (en particular, Eloy Navarro) han estudiado este modelo, introduciendo algunas modificaciones: por ejemplo, la presencia de un líder (una partícula a la que las demás prestan especial atención).

Como se ve, este tema acapara los esfuerzos de muchos investigadores; seguramente aparezcan resultados interesantes en el futuro próximo.