Movimiento ordenado espontáneo de agentes independientes.
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 en el tráfico de automóviles. También aparece a nivel microscópico: en colonias de bacterias, ensayos de motilidad y partículas artificiales autopropulsadas . [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 . Para estudiar estos fenómenos se llevan a cabo en paralelo experimentos con animales, [4] partículas biológicas y sintetizadas autopropulsadas , simulaciones [5] y teorías [6] [7] . Uno de los modelos más famosos que describe tal comportamiento es el modelo de Vicsek presentado 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 comportamientos de escolarización y exclusión. [10] Por ejemplo, Ibele, et al. demostró que los micromotores de cloruro de plata, en presencia de luz ultravioleta, interactúan entre sí en altas concentraciones y forman escuelas. [11] También se puede observar un comportamiento similar con las micropartículas de dióxido de titanio. [12] Las micropartículas de ortofosfato de plata exhiben transiciones entre la escolarización y los comportamientos de exclusión en respuesta al amoníaco, el peróxido de hidrógeno y la luz ultravioleta. [13] [14] Este comportamiento se puede utilizar para diseñar una puerta NOR, ya que diferentes combinaciones de los dos estímulos diferentes (amoníaco y luz ultravioleta) generan diferentes resultados. Las oscilaciones entre la escolarización y las conductas de exclusión también se pueden ajustar mediante cambios en la concentración de peróxido de hidrógeno. Los flujos de fluido 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 muy compactos. [15]
Los micromotores y nanomotores también pueden moverse preferentemente en la dirección de gradientes químicos aplicados externamente, un fenómeno definido como quimiotaxis . Se ha observado quimiotaxis en nanobarras de Au-Pt autopropulsadas, que difunden hacia la fuente de peróxido de hidrógeno, cuando se colocan en un gradiente de la sustancia química. [16] Las micropartículas de sílice con catalizador de Grubbs atado a ellas también se mueven hacia concentraciones de monómero más altas. [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 nanomotora enzimática es la separación de enzimas activas e inactivas en canales de microfluidos. [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 glucólisis: hexoquinasa, fosfoglucosa isomerasa, fosfofructoquinasa y aldolasa. [21] [22] Más recientemente, las partículas recubiertas de enzimas y los liposomas recubiertos de enzimas [23] han mostrado un comportamiento similar en gradientes de reactivos en canales de microfluidos. [24] En general, la quimiotaxis de partículas autopropulsadas biológicas y sintetizadas proporciona una forma de dirigir el movimiento a microescala y puede usarse para la administración de fármacos, detección, dispositivos de laboratorio en un chip y otras aplicaciones. [25]
Ver también
Notas
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Más referencias
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Enlaces externos
- Los físicos se reúnen para explorar la mecánica del movimiento colectivo The Guardian , 13 de enero de 2014.