stringtranslate.com

Agrupamiento de partículas autopropulsadas

Muchas realizaciones experimentales de partículas autopropulsadas exhiben una fuerte tendencia a agregarse y formar racimos , [1] [2] [3] [4] [5] cuya dinámica es mucho más rica que la de los coloides pasivos. Estos agregados de partículas se forman por una variedad de razones, desde gradientes químicos hasta campos magnéticos y ultrasónicos. [6] Los motores enzimáticos autopropulsados ​​y los nanomotores sintéticos también exhiben efectos de agrupamiento en forma de quimiotaxis. La quimiotaxis es una forma de movimiento colectivo de partículas biológicas o no biológicas hacia una fuente de combustible o lejos de una amenaza, como se observa experimentalmente en la difusión enzimática [7] [8] [9] y también en la quimiotaxis sintética [10] [11] [12] o la fototaxis. [12] Además de la formación irreversible de cardúmenes, las partículas autopropulsadas también exhiben un movimiento colectivo reversible, como el comportamiento depredador-presa y el agrupamiento y dispersión oscilatorios. [13] [14] [15] [16] [17]

Fenomenología

Este comportamiento de agrupamiento se ha observado para partículas Janus autopropulsadas , ya sean partículas de oro recubiertas de platino [1] o perlas de sílice recubiertas de carbono, [2] y para partículas impulsadas magnéticamente o ultrasónicamente. [5] [6] También se ha observado agrupamiento para partículas coloidales compuestas de un cubo de hematita incrustado [3] o iones metálicos de difusión lenta . [4] [13] [14] [15] [16] También se ha observado agregación autónoma en partículas de anatasa TiO 2 ( dióxido de titanio ). [18] El agrupamiento también ocurre en la difusión de moléculas enzimáticas. [7] [8] [9] [19] Recientemente, se encontró que enzimas como la hexoquinasa y la fosfatasa alcalina se agregan en presencia de sus sustratos. [20] En todos estos experimentos, el movimiento de partículas tiene lugar en una superficie bidimensional y el agrupamiento se observa para fracciones de área tan bajas como 10%. Para fracciones de área tan bajas, los cúmulos tienen un tamaño medio finito [1], mientras que para fracciones de área mayores (30 % o más), se ha informado de una separación de fases completa. [2] La dinámica de los cúmulos de tamaño finito es muy rica y exhibe un orden cristalino o un empaquetamiento amorfo . El tamaño finito de los cúmulos proviene de un equilibrio entre la adhesión de nuevas partículas a cúmulos preexistentes y la descomposición de cúmulos grandes en otros más pequeños, lo que ha dado lugar al término "cúmulos vivos". [3] [4] [13] [14] [15] [16]

Mecanismo para sistemas sintéticos

El mecanismo preciso que conduce a la aparición de cúmulos no está completamente dilucidado y es un campo de investigación actual para muchos sistemas. [21] Se han propuesto algunos mecanismos diferentes, que podrían estar en juego en diferentes configuraciones experimentales.

Las partículas autopropulsadas pueden acumularse en una región del espacio donde se mueven a una velocidad reducida. [22] Después de la acumulación, en regiones de alta densidad de partículas, las partículas se mueven más lentamente debido al impedimento estérico. Una retroalimentación entre estos dos mecanismos puede conducir a la llamada separación de fases inducida por motilidad. [23] Sin embargo, esta separación de fases puede ser detenida por pares entre partículas mediados químicamente [24] o interacciones hidrodinámicas [25] [26] , lo que podría explicar la formación de cúmulos de tamaño finito.

Alternativamente, la agrupación y la separación de fases podrían deberse a la presencia de fuerzas de atracción entre partículas, como en las suspensiones en equilibrio. Las fuerzas activas se opondrían entonces a esta separación de fases separando las partículas en el cúmulo, [27] [28] siguiendo dos procesos principales. En primer lugar, las partículas individuales pueden existir de forma independiente si sus fuerzas de propulsión son suficientes para escapar del cúmulo. En segundo lugar, un cúmulo grande puede romperse en pedazos más pequeños debido a la acumulación de tensión interna: a medida que más y más partículas entran en el cúmulo, sus fuerzas de propulsión se suman hasta romper su cohesión.

La difusioforesis es también un mecanismo comúnmente citado para el agrupamiento y el comportamiento colectivo, que implica la atracción o repulsión de partículas entre sí en respuesta a gradientes de iones. [4] [13] [14] [15] [16] La difusioforesis es un proceso que involucra los gradientes de concentraciones de electrolitos o no electrolitos que interactúan con partículas cargadas (interacciones electroforéticas) o neutras (interacciones quimioforéticas) en solución y con la doble capa de cualquier pared o superficie (interacciones electroosmóticas). [15] [16]

En experimentos se han presentado argumentos a favor de cualquiera de los mecanismos anteriores. En el caso de las perlas de sílice revestidas de carbono, las interacciones atractivas son aparentemente insignificantes y, de hecho, se observa separación de fases a grandes densidades. [2] Sin embargo, en otros sistemas experimentales, las fuerzas de atracción suelen desempeñar un papel más importante. [1] [3] [15] [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ abcd Theurkauff, I.; Cottin-Bizonne, C.; Palacci, J.; Ybert, C.; Bocquet, L. (26 de junio de 2012). "Agrupamiento dinámico en suspensiones coloidales activas con señalización química". Physical Review Letters . 108 (26): 268303. arXiv : 1202.6264 . Código Bibliográfico :2012PhRvL.108z8303T. doi :10.1103/PhysRevLett.108.268303. PMID  23005020. S2CID  4890068.
  2. ^ abcd Buttinoni, Ivo; Bialké, Julian; Kümmel, Felix; Löwen, Hartmut ; Bechinger, Clemens; Speck, Thomas (5 de junio de 2013). "Agrupamiento dinámico y separación de fases en suspensiones de partículas coloidales autopropulsadas". Physical Review Letters . 110 (23): 238301. arXiv : 1305.4185 . Código Bibliográfico :2013PhRvL.110w8301B. doi :10.1103/PhysRevLett.110.238301. PMID  25167534. S2CID  17127522.
  3. ^ abcd Palacci, Jeremie; Sacanna, Stefano; Steinberg, Asher Preska; Pine, David J.; Chaikin, Paul M. (31 de enero de 2013). "Cristales vivos de surfistas coloidales activados por luz". Science . 339 (6122): 936–40. Bibcode :2013Sci...339..936P. doi :10.1126/science.1230020. ISSN  0036-8075. PMID  23371555. S2CID  1974474.
  4. ^ abcd Ibele, Michael; Mallouk, Thomas E.; Sen, Ayusman (20 de abril de 2009). "Comportamiento de formación de micromotores autónomos alimentados por luz en agua". Angewandte Chemie . 121 (18): 3358–3362. Bibcode :2009AngCh.121.3358I. doi :10.1002/ange.200804704. ISSN  1521-3757.
  5. ^ ab Kagan, Daniel; Balasubramanian, Shankar; Wang, Joseph (10 de enero de 2011). "Enjambre de micropartículas de oro activado químicamente". Angewandte Chemie International Edition . 50 (2): 503–506. doi :10.1002/anie.201005078. ISSN  1521-3773. PMID  21140389.
  6. ^ ab Wang, Wei; Castro, Luz Angélica; Hoyos, Mauricio; Mallouk, Thomas E. (24 de julio de 2012). "Movimiento autónomo de microbarras metálicas propulsadas por ultrasonido". ACS Nano . 6 (7): 6122–6132. doi :10.1021/nn301312z. ISSN  1936-0851. PMID  22631222.
  7. ^ ab Muddana, Hari S.; Sengupta, Samudra; Mallouk, Thomas E.; Sen, Ayusman; Butler, Peter J. (24 de febrero de 2010). "La catálisis del sustrato mejora la difusión de una sola enzima". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 132 (7): 2110–2111. doi :10.1021/ja908773a. ISSN  0002-7863. PMC 2832858 . PMID  20108965. 
  8. ^ ab Sengupta, Samudra; Dey, Krishna K.; Muddana, Hari S.; Tabouillot, Tristan; Ibele, Michael E.; Butler, Peter J.; Sen, Ayusman (30 de enero de 2013). "Moléculas enzimáticas como nanomotores". Revista de la Sociedad Química Americana . 135 (4): 1406–1414. doi :10.1021/ja3091615. ISSN  0002-7863. PMID  23308365.
  9. ^ ab Dey, Krishna Kanti; Das, Sambeeta; Poyton, Mateo F.; Sengupta, Samudra; Mayordomo, Peter J.; Cremer, Paul S.; Sen, Ayusman (23 de diciembre de 2014). "Separación quimiotáctica de enzimas". ACS Nano . 8 (12): 11941-11949. doi : 10.1021/nn504418u . ISSN  1936-0851. PMID  25243599.
  10. ^ Pavlick, Ryan A.; Sengupta, Samudra; McFadden, Timothy; Zhang, Hua; Sen, Ayusman (26 de septiembre de 2011). "Un motor alimentado por polimerización". Angewandte Chemie International Edition . 50 (40): 9374–9377. doi :10.1002/anie.201103565. ISSN  1521-3773. PMID  21948434. S2CID  6325323.
  11. ^ Hong, Yiying; Blackman, Nicole MK; Kopp, Nathaniel D.; Sen, Ayusman; Velegol, Darrell (26 de octubre de 2007). "Quimiotaxis de bastoncillos coloidales no biológicos". Physical Review Letters . 99 (17): 178103. Bibcode :2007PhRvL..99q8103H. doi :10.1103/PhysRevLett.99.178103. PMID  17995374.
  12. ^ ab Chaturvedi, Neetu; Hong, Yiying; Sen, Ayusman; Velegol, Darrell (4 de mayo de 2010). "Mejora magnética de motores catalíticos fotograbados". Langmuir . 26 (9): 6308–6313. doi :10.1021/la904133a. ISSN  0743-7463. PMID  20102166.
  13. ^ abcd Hong, Yiying; Diaz, Misael; Córdova-Figueroa, Ubaldo M.; Sen, Ayusman (25 de mayo de 2010). "Microfuegos artificiales reversibles basados ​​en dióxido de titanio impulsados ​​por luz y sistemas de micromotores/microbombas". Materiales funcionales avanzados . 20 (10): 1568–1576. doi :10.1002/adfm.201000063. ISSN  1616-3028. S2CID  51990054.
  14. ^ abcd Ibele, Michael E.; Lammert, Paul E.; Crespi, Vincent H.; Sen, Ayusman (24 de agosto de 2010). "Oscilaciones emergentes y colectivas de partículas automóviles y superficies estampadas en condiciones redox". ACS Nano . 4 (8): 4845–4851. doi :10.1021/nn101289p. ISSN  1936-0851. PMID  20666369.
  15. ^ abcdef Duan, Wentao; Liu, Ran; Sen, Ayusman (30 de enero de 2013). "Transición entre comportamientos colectivos de micromotores en respuesta a diferentes estímulos". Revista de la Sociedad Química Americana . 135 (4): 1280–1283. doi :10.1021/ja3120357. ISSN  0002-7863. PMID  23301622.
  16. ^ abcdef Altemose, Alicia; Sánchez-Farrán, María A.; Duan, Wentao; Schulz, Steve; Borhan, Ali; Crespi, Vicente H.; Sen, Ayusman (2017). "Oscilaciones espaciotemporales controladas químicamente de conjuntos coloidales". Angélica. Química. Int. Ed . 56 (27): 7817–7821. doi :10.1002/anie.201703239. PMID  28493638.
  17. ^ Zhang, Jianhua; Laskar, Abhrajit; Canción, Jiaqi; Shklyaev, Oleg E.; Mou, Fangzhi; Guan, Jianguo; Balazs, Anna C.; Sen, Ayusman (10 de enero de 2023). "Oscilación, migración y manipulación reversible impulsadas por luz y sin combustible de múltiples tipos de carga mediante enjambres de micromotores". ACS Nano . 17 (1): 251–262. doi :10.1021/acsnano.2c07266. ISSN  1936-0851. PMID  36321936. S2CID  253257444.
  18. ^ Zhang, Jianhua; Song, Jiaqi; Mou, Fangzhi; Guan, Jianguo; Sen, Ayusman (26 de febrero de 2021). "Micro/nanomotores basados ​​en titanio: principios de diseño, comportamiento colectivo biomimético y aplicaciones". Tendencias en química . 3 (5): 387–401. doi : 10.1016/j.trechm.2021.02.001 . ISSN  2589-5974.
  19. ^ Zhao, Xi; Palacci, Henri; Yadav, Vinita; Spiering, Michelle M.; Gilson, Michael K.; Butler, Peter J.; Hess, Henry; Benkovic, Stephen J.; Sen, Ayusman (18 de diciembre de 2017). "Ensamblaje quimiotáctico impulsado por sustrato en una cascada enzimática". Nature Chemistry . 10 (3): 311–317. Bibcode :2018NatCh..10..311Z. doi :10.1038/nchem.2905. ISSN  1755-4330. PMID  29461522.
  20. ^ Gentile, Kayla; Bhide, Ashlesha; Kauffman, Joshua; Ghosh, Subhadip; Maiti, Subhabrata; Adair, James; Lee, Tae-Hee; Sen, Ayusman (22 de septiembre de 2021). "Agregación y fragmentación enzimática inducida por especies relevantes para la catálisis". Química física Física química . 23 (36): 20709–20717. Bibcode :2021PCCP...2320709G. doi :10.1039/D1CP02966E. ISSN  1463-9084. PMID  34516596. S2CID  237507756.
  21. ^ Ball, Philip (11 de diciembre de 2013). "Enfoque: los fenómenos de agrupamiento de partículas inspiran múltiples explicaciones". Física . 6 : 134. doi :10.1103/physics.6.134 . Consultado el 22 de septiembre de 2015 .
  22. ^ Schnitzer, Mark J. (1 de octubre de 1993). "Teoría de los paseos aleatorios continuos y aplicación a la quimiotaxis". Physical Review E . 48 (4): 2553–2568. Bibcode :1993PhRvE..48.2553S. doi :10.1103/PhysRevE.48.2553. PMID  9960890.
  23. ^ Cates, Michael E.; Tailleur, Julien (1 de enero de 2015). "Separación de fases inducida por motilidad". Revisión anual de física de la materia condensada . 6 (1): 219–244. arXiv : 1406.3533 . Código Bibliográfico :2015ARCMP...6..219C. doi :10.1146/annurev-conmatphys-031214-014710. S2CID  15672131.
  24. ^ Pohl, Oliver; Stark, Holger (10 de junio de 2014). "Agrupamiento dinámico y colapso quimiotáctico de partículas activas autoforéticas". Physical Review Letters . 112 (23): 238303. arXiv : 1403.4063 . Bibcode :2014PhRvL.112w8303P. doi :10.1103/PhysRevLett.112.238303. PMID  24972234. S2CID  15305058.
  25. ^ Matas-Navarro, Ricard; Golestanian, Ramin; Liverpool, Tanniemola B.; Fielding, Suzanne M. (18 de septiembre de 2014). "Supresión hidrodinámica de la separación de fases en suspensiones activas". Physical Review E . 90 (3): 032304. arXiv : 1210.5464 . Bibcode :2014PhRvE..90c2304M. doi :10.1103/PhysRevE.90.032304. PMID  25314443. S2CID  34233710.
  26. ^ Zöttl, Andreas; Stark, Holger (18 de marzo de 2014). "La hidrodinámica determina el movimiento colectivo y el comportamiento de fase de coloides activos en confinamiento cuasi-bidimensional". Physical Review Letters . 112 (11): 118101. arXiv : 1309.4352 . Código Bibliográfico :2014PhRvL.112k8101Z. doi :10.1103/PhysRevLett.112.118101. PMID  24702421. S2CID  12399192.
  27. ^ Redner, Gabriel S.; Baskaran, Aparna; Hagan, Michael F. (26 de julio de 2013). "Comportamiento de la fase reentrante en coloides activos con atracción". Physical Review E . 88 (1): 012305. arXiv : 1303.3195 . Bibcode :2013PhRvE..88a2305R. doi :10.1103/PhysRevE.88.012305. PMID  23944461. S2CID  6919624.
  28. ^ Mognetti, BM; Šarić, A.; Angioletti-Uberti, S.; Cacciuto, A.; Valeriani, C.; Frenkel, D. (11 de diciembre de 2013). "Clústeres vivos y cristales a partir de suspensiones de baja densidad de coloides activos". Physical Review Letters . 111 (24): 245702. arXiv : 1311.4681 . Código Bibliográfico :2013PhRvL.111x5702M. doi :10.1103/PhysRevLett.111.245702. PMID  24483677. S2CID  46111375.