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Movimiento colectivo

El movimiento colectivo se define como la aparición espontánea de un movimiento ordenado en un sistema formado por muchos agentes autopropulsados . Se puede observar en la vida cotidiana, por ejemplo en bandadas de pájaros , bancos de peces , manadas de animales y también en multitudes y tráfico de automóviles. También aparece a nivel microscópico: en colonias de bacterias, ensayos de motilidad y partículas autopropulsadas artificiales . [1] [2] [3] La comunidad científica está tratando de comprender la universalidad de este fenómeno. En particular, se investiga intensamente en física estadística y en el campo de la materia activa . Paralelamente se llevan a cabo experimentos en animales, [4] partículas autopropulsadas biológicas y sintetizadas , simulaciones [5] y teorías [6] [7] para estudiar estos fenómenos. Uno de los modelos más famosos que describe dicho comportamiento es el modelo de Vicsek introducido por Tamás Vicsek et al. en 1995. [8]

Comportamiento colectivo de partículas autopropulsadas

Fuente: [9]

Al igual que los sistemas biológicos en la naturaleza, las partículas autopropulsadas también responden a gradientes externos y muestran un comportamiento colectivo. Los micromotores o nanomotores pueden interactuar con gradientes autogenerados y exhibir un comportamiento de formación de cardúmenes y exclusión. [10] Por ejemplo, Ibele, et al. demostraron que los micromotores de cloruro de plata, en presencia de luz ultravioleta, interactúan entre sí en altas concentraciones y forman cardúmenes. [11] También se puede observar un comportamiento similar con micropartículas de dióxido de titanio. [12] Las micropartículas de ortofosfato de plata exhiben transiciones entre comportamientos de formación de cardúmenes y exclusión en respuesta al amoníaco, peróxido de hidrógeno y luz ultravioleta. [13] [14] Este comportamiento se puede utilizar para diseñar una compuerta NOR ya que diferentes combinaciones de los dos estímulos diferentes (amoníaco y luz ultravioleta) generan diferentes salidas. Las oscilaciones entre los comportamientos de formación de cardúmenes y exclusión también se pueden ajustar a través de cambios en la concentración de peróxido de hidrógeno. Los flujos de fluidos generados por estas oscilaciones son lo suficientemente fuertes como para transportar carga a microescala e incluso pueden dirigir el ensamblaje de sistemas de cristales coloidales compactos. [15]

Los micromotores y nanomotores también pueden moverse preferentemente en la dirección de gradientes químicos aplicados externamente, un fenómeno definido como quimiotaxis . La quimiotaxis se ha observado en nanobarras de Au-Pt autopropulsadas, que se difunden hacia la fuente de peróxido de hidrógeno, cuando se colocan en un gradiente del químico. [16] Las micropartículas de sílice con catalizador de Grubbs atado a ellas, también se mueven hacia concentraciones más altas de monómero. [17] Las enzimas también se comportan como nanomotores y migran hacia regiones de mayor concentración de sustrato, lo que se conoce como quimiotaxis enzimática. [18] [19] Un uso interesante de la quimiotaxis de nanomotores enzimáticos es la separación de enzimas activas e inactivas en canales microfluídicos. [20] Otro es la exploración de la formación de metabolones mediante el estudio del movimiento coordinado de las primeras cuatro enzimas de la cascada de la glucólisis: hexoquinasa, fosfoglucosa isomerasa, fosfofructoquinasa y aldolasa. [21] [22] Más recientemente, las partículas recubiertas con enzimas y los liposomas recubiertos con enzimas [23] han mostrado un comportamiento similar en gradientes de reactivos en canales microfluídicos. [24] En general, la quimiotaxis de partículas autopropulsadas biológicas y sintetizadas proporciona una forma de dirigir el movimiento a microescala y se puede utilizar para la administración de fármacos, detección, dispositivos de laboratorio en un chip y otras aplicaciones. [25]

Véase también

Notas

  1. ^ Palacci, Jeremie; Sacanna, Stefano; Steinberg, Asher Preska; Pine, David J.; Chaikin, Paul M. (2013). "Cristales vivos de surfistas coloidales activados por luz". Science . 339 (6122): 936–940. Bibcode :2013Sci...339..936P. doi :10.1126/science.1230020. PMID  23371555. S2CID  1974474.
  2. ^ Theurkauff, I.; Cottin-Bizonne, C.; Palacci, J.; Ybert, C.; Bocquet, L. (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.
  3. ^ Buttinoni, I.; Bialké, J.; Kümmel, F.; Löwen, H .; Bechinger, C.; Speck, T. (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.
  4. ^ Feder, Toni (2007). "La física estadística es para los pájaros". Physics Today . 60 (10): 28–30. Bibcode :2007PhT....60j..28F. doi : 10.1063/1.2800090 .
  5. ^ Grégoire, Guillaume; Chaté, Hugues (15 de enero de 2004). "Inicio del movimiento colectivo y cohesivo". Physical Review Letters . 92 (2): 025702. arXiv : cond-mat/0401208 . Código Bibliográfico :2004PhRvL..92b5702G. doi :10.1103/PhysRevLett.92.025702. PMID  14753946. S2CID  37159324.
  6. ^ Toner, John; Tu, Yuhai (4 de diciembre de 1995). "Orden de largo alcance en un modelo $\mathrm{XY}$ dinámico bidimensional: cómo vuelan juntos los pájaros". Physical Review Letters . 75 (23): 4326–4329. Bibcode :1995PhRvL..75.4326T. doi :10.1103/PhysRevLett.75.4326. PMID  10059876.
  7. ^ Chaté, H.; Ginelli, F.; Grégoire, G.; Peruani, F.; Raynaud, F. (11 de julio de 2008). "Modelado del movimiento colectivo: variaciones del modelo Vicsek" (PDF) . La revista física europea B. 64 (3–4): 451–456. Código Bib : 2008EPJB...64..451C. doi :10.1140/epjb/e2008-00275-9. ISSN  1434-6028. S2CID  49363896.
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  9. ^ Altemose, A; Sen, A. (2018). Comportamiento colectivo de micronadadores artificiales en respuesta a condiciones ambientales . Royal Society of Chemistry. págs. 250–283. ISBN 9781788011662.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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  11. ^ Ibele, M.; Mallouk, T.; Sen, A. (2009). "Comportamiento de formación de micromotores autónomos alimentados por luz en agua". Angewandte Chemie International Edition . 48 (18): 3308–12. doi :10.1002/anie.200804704. PMID  19338004.
  12. ^ Hong, Y.; Díaz, M.; Córdova-Figueroa, U.; Sen, A. (2010). "Microfuegos artificiales reversibles basados ​​en dióxido de titanio impulsados ​​por luz y sistemas de micromotores/microbombas". Materiales funcionales avanzados . 20 (10): 1568. doi :10.1002/adfm.201000063. S2CID  51990054.
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  16. ^ Hong, Y.; Blackmann, NMK; Kopp, ND.; Sen, A.; Velegol, D. (2007). "Quimiotaxis de varillas coloidales no biológicas". Physical Review Letters . 99 (17): 178103. Bibcode :2007PhRvL..99q8103H. doi :10.1103/physrevlett.99.178103. PMID  17995374.
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  18. ^ Sengupta, S.; Dey, KK.; Muddana, HS.; Tabouillot, T.; Ibele, M.; Butler, PJ.; Sen, A. (2013). "Moléculas enzimáticas como nanomotores". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (4): 1406–14. doi :10.1021/ja3091615. PMID  23308365.
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  22. ^ Metabolones y conjuntos de enzimas supramoleculares. Academic Press. 19 de febrero de 2019. ISBN 9780128170755.
  23. ^ Somasundar, Ambika; Ghosh, Subhadip; Mohajerani, Farzad; Massenburg, Lynnicia N.; Yang, Tinglu; Cremer, Paul S.; Velegol, Darrell; Sen, Ayusman (diciembre de 2019). "Quimiotaxis positiva y negativa de motores de liposomas recubiertos con enzimas". Nature Nanotechnology . 14 (12): 1129–1134. Bibcode :2019NatNa..14.1129S. doi :10.1038/s41565-019-0578-8. ISSN  1748-3395. PMID  31740796. S2CID  208168622.
  24. ^ Dey, Krishna K.; Zhao, Xi; Tansi, Benjamin M.; Méndez-Ortiz, Wilfredo J.; Córdova-Figueroa, Ubaldo M.; Golestanian, Ramin; Sen, Ayusman (30 de noviembre de 2015). "Micromotores accionados por catálisis enzimática". Nano Letters . 15 (12): 8311–8315. Bibcode :2015NanoL..15.8311D. doi :10.1021/acs.nanolett.5b03935. ISSN  1530-6984. PMID  26587897.
  25. ^ Zhao, Xi; Gentile, Kayla; Mohajerani, Farzad; Sen, Ayusman (16 de octubre de 2018). "Impulsando el movimiento con enzimas". Accounts of Chemical Research . 51 (10): 2373–2381. doi :10.1021/acs.accounts.8b00286. ISSN  0001-4842. PMID  30256612. S2CID  52845451.

Referencias adicionales

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