Los investigadores descubren un nuevo estado de materia activa
Banco de peces, enjambres de insectos y pájaros vuelan en murmullos. Ahora, una nueva investigación encuentra que en el nivel más básico, este tipo de comportamiento grupal forma un nuevo tipo de materia activa, llamado estado de remolino.
Las leyes físicas, como la segunda ley del movimiento de Newton que establece que a medida que aumenta una fuerza aplicada a un objeto, aumenta su aceleración y que a medida que aumenta la masa del objeto, disminuye su aceleración, se aplican a la materia pasiva no viviente, que van desde los átomos hasta los planetas.
Pero gran parte de la materia en el mundo es materia activa y se mueve bajo su propia fuerza autodirigida, dijo Nikolai Brilliantov, matemático del Instituto de Ciencia y Tecnología Skolkovo en Rusia y la Universidad de Leicester en Inglaterra.
Los seres vivos tan diversos como las bacterias, las aves y los seres humanos pueden interactuar con las fuerzas que ejercen sobre ellos. También hay ejemplos de materia activa no viva. Las nanopartículas conocidas como "partículas de Janus" están formadas por dos lados con diferentes propiedades químicas. Las interacciones entre los dos lados crean un movimiento autopropulsado.
Para explorar la materia activa, Brilliantov y sus colegas utilizaron una computadora para simular partículas que podían autopropulsarse. Estas partículas no interactuan conscientemente con el medio ambiente, dijo Brilliantov. Más bien, se parecen más a bacterias o nanopartículas simples con fuentes internas de energía, pero sin capacidades de procesamiento de información.
La primera sorpresa fue que esta materia activa se comporta de manera muy diferente a la materia pasiva. Pueden coexistir diferentes estados de materia pasiva, dijo Brilliantov. Por ejemplo, un vaso de agua líquida puede evaporarse gradualmente a un estado gaseoso sin dejar de dejar agua líquida. La materia activa, por el contrario, no coexistió en diferentes fases; era todo sólido, todo líquido o todo gas.
Imagen: Para diferentes densidades y parámetros de potencial de interacción se obtienen diferentes estados de materia activa
Las partículas también se agruparon como grandes conglomerados, o cuasi-partículas, que se molieron juntas en un patrón circular alrededor de un vacío central, como un remolino de sardinas en formación. Los investigadores llamaron a estos conglomerados de partículas "remolinos", y llamaron al nuevo estado de la materia en el que formaron un "estado de remolino (swirlonic state en inglés)".
En este estado de remolino, las partículas mostraron un extraño comportamiento. Por ejemplo, violaron la segunda ley de Newton: cuando se les aplicó una fuerza, no aceleraron.
"[Ellas] simplemente se mueven con una velocidad constante, lo cual es absolutamente sorprendente", dijo Brilliantov.
Las simulaciones eran básicas y el trabajo experimental con materia activa del mundo real es un próximo paso importante, dijo. Brilliantov y sus colegas también planean hacer simulaciones más complejas utilizando partículas de materia activa con capacidades de procesamiento de información.
Estas se parecerán más a insectos y animales y ayudarán a revelar las leyes físicas que gobiernan la escolarización, el enjambre y el agrupamiento. En última instancia, el objetivo es crear materiales de autoensamblaje a partir de materia activa, dijo Brilliantov, lo que hace que sea importante comprender las fases de este tipo de materia.
"Es muy importante que veamos que la naturaleza de la materia activa es mucho más rica que la de la materia pasiva", dijo Brilliantov.
La investigación se detalló en octubre de 2020 en la revista Scientific Reports: Swirlonic state of active matter
