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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 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

  1. ^ Palacci, Jeremie; Sacanna, Stefano; Steinberg, Asher Preska; Pino, David J.; Chaikin, Paul M. (2013). "Cristales vivos de surfistas coloidales activados por la luz". Ciencia . 339 (6122): 936–940. Código Bib : 2013 Ciencia... 339.. 936P. doi : 10.1126/ciencia.1230020. PMID  23371555. S2CID  1974474.
  2. ^ Theurkauff, yo; Cottin-Bizonne, C.; Palacci, J.; Ybert, C.; Bocquet, L. (2012). "Agrupación dinámica en suspensiones coloidales activas con señalización química". Cartas de revisión física . 108 (26): 268303. arXiv : 1202.6264 . Código Bib : 2012PhRvL.108z8303T. doi : 10.1103/physrevlett.108.268303. PMID  23005020. S2CID  4890068.
  3. ^ Buttinoni, yo; Bialke, J.; Kummel, F.; Lowen, H .; Bechinger, C.; Mota, T. (2013). "Agrupación dinámica y separación de fases en suspensiones de partículas coloidales autopropulsadas". Cartas de revisión física . 110 (23): 238301. arXiv : 1305.4185 . Código Bib : 2013PhRvL.110w8301B. doi : 10.1103/physrevlett.110.238301. PMID  25167534. S2CID  17127522.
  4. ^ Feder, Toni (2007). "La física estadística es para los pájaros". Física hoy . 60 (10): 28–30. Código bibliográfico : 2007PhT....60j..28F. doi : 10.1063/1.2800090 .
  5. ^ Grégoire, Guillaume; Chaté, Hugues (15 de enero de 2004). "Inicio del movimiento colectivo y cohesivo". Cartas de revisión física . 92 (2): 025702. arXiv : cond-mat/0401208 . Código bibliográfico : 2004PhRvL..92b5702G. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.025702. PMID  14753946. S2CID  37159324.
  6. ^ Tóner, John; Tu, Yuhai (4 de diciembre de 1995). "Orden de largo alcance en un modelo $\mathrm{XY}$ dinámico bidimensional: cómo los pájaros vuelan juntos". Cartas de revisión física . 75 (23): 4326–4329. Código bibliográfico : 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.
  8. ^ Vicsek, T.; Czirok, A.; Ben-Jacob, E.; Cohen, I.; Shochet, O. (1995). "Nuevo tipo de transición de fase en un sistema de partículas autoimpulsadas". Cartas de revisión física . 75 (6): 1226-1229. arXiv : cond-mat/0611743 . Código bibliográfico : 1995PhRvL..75.1226V. doi : 10.1103/PhysRevLett.75.1226. PMID  10060237. S2CID  15918052.
  9. ^ Altemose, A; Sen, A. (2018). Comportamiento colectivo de micronadadores artificiales en respuesta a las condiciones ambientales . Real Sociedad de Química. págs. 250–283. ISBN 9781788011662.{{cite book}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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  11. ^ Ibele, M.; Mallouk, T.; Sen, A. (2009). "Comportamiento escolar de micromotores autónomos propulsados ​​por luz en el agua". Edición internacional Angewandte Chemie . 48 (18): 3308–12. doi :10.1002/anie.200804704. PMID  19338004.
  12. ^ Hong, Y.; Díaz, M.; Córdova-Figueroa, U.; Sen, A. (2010). "Sistemas de micromotores/microbombas y microfuegos artificiales reversibles a base de dióxido de titanio impulsados ​​por luz". Materiales funcionales avanzados . 20 (10): 1568. doi : 10.1002/adfm.201000063. S2CID  51990054.
  13. ^ Duan, W.; Liu, R.; Sen, A. (2013). "Transición entre comportamientos colectivos de micromotores en respuesta a diferentes estímulos". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (4): 1280–3. doi :10.1021/ja3120357. PMID  23301622.
  14. ^ Altemose, A.; Sánchez-Farrán, MA; Duan, W.; Schulz, S.; Borhan, A.; Crespi, VH; Sen, A. (2017). "Oscilaciones espaciotemporales controladas químicamente de conjuntos coloidales". Edición internacional Angewandte Chemie . 56 (27): 7817–7821. doi : 10.1002/anie.201703239 . PMID  28493638.
  15. ^ Altemose, Alicia; Harris, Aarón J.; Sen, Ayusman (2020). "Formación autónoma y recocido de cristales coloidales inducidos por oscilaciones de partículas activas impulsadas por la luz". ChemSystemsChem . 2 (1): e1900021. doi : 10.1002/syst.201900021 . ISSN  2570-4206.
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  21. ^ Zhao, Xi; Palacci, Henri; Yadav, Vinita; Spiering, Michelle M.; Gilson, Michael K.; Mayordomo, Peter J.; Hess, Enrique; Benkovic, Stephen J.; Sen, Ayusman (2018). "Ensamblaje quimiotáctico impulsado por sustrato en una cascada de enzimas". Química de la Naturaleza . 10 (3): 311–317. Código Bib : 2018NatCh..10..311Z. doi :10.1038/nchem.2905. ISSN  1755-4330. PMID  29461522.
  22. ^ Metabolones y conjuntos de enzimas supramoleculares. Prensa académica. 2019-02-19. 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 de enzimas". Nanotecnología de la naturaleza . 14 (12): 1129-1134. Código Bib : 2019NatNa..14.1129S. doi :10.1038/s41565-019-0578-8. ISSN  1748-3395. PMID  31740796. S2CID  208168622.
  24. ^ Dey, Krishna K.; Zhao, Xi; Tansi, Benjamín M.; Méndez-Ortiz, Wilfredo J.; Córdova-Figueroa, Ubaldo M.; Golestaniano, Ramin; Sen, Ayusman (30 de noviembre de 2015). "Micromotores impulsados ​​por catálisis enzimática". Nano Letras . 15 (12): 8311–8315. Código Bib : 2015NanoL..15.8311D. doi : 10.1021/acs.nanolett.5b03935. ISSN  1530-6984. PMID  26587897.
  25. ^ Zhao, Xi; Gentil, Kayla; Mohajerani, Farzad; Sen, Ayusman (16 de octubre de 2018). "Impulsando el movimiento con enzimas". Cuentas de la investigación química . 51 (10): 2373–2381. doi : 10.1021/acs.accounts.8b00286. ISSN  0001-4842. PMID  30256612. S2CID  52845451.

Más referencias

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