Um experimento elegantemente simples com partículas flutuantes que se auto-montam em resposta a ondas sonoras forneceu uma nova estrutura para estudar como comportamentos aparentemente naturais emergem em resposta a forças externas.

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) demonstraram como as partículas, flutuando em cima de uma solução de glicerina-água, sincronizar em resposta às ondas acústicas emitidas por um alto-falante do computador.

O estudo, publicado hoje no jornal Materiais da Natureza , poderia ajudar a resolver questões fundamentais sobre a dissipação de energia e como ela permite que sistemas vivos e não vivos se adaptem ao ambiente quando estão fora de equilíbrio termodinâmico.

"A automontagem dinâmica sob desequilíbrio não é importante apenas na física, mas também em nosso mundo vivo, "disse Xiang Zhang, autor correspondente do artigo e um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley com uma nomeação conjunta na UC Berkeley. "Contudo, os princípios básicos que regem isso são apenas parcialmente compreendidos. Este trabalho fornece uma plataforma simples, mas elegante, para estudar e compreender tais fenômenos. "

Para ouvir alguns físicos descrevê-lo, este estado de desequilíbrio, caracterizado pela capacidade de mudar e evoluir constantemente, é a essência da vida. Aplica-se a sistemas biológicos, das células aos ecossistemas, bem como para certos sistemas não biológicos, como padrões de tempo ou clima. O estudo de sistemas fora de equilíbrio deixa os teóricos um pouco mais perto de compreender como a vida - particularmente a vida inteligente - emerge.

Contudo, é complicado e difícil de estudar porque os sistemas de não equilíbrio são sistemas abertos, Zhang disse. Ele observou que os físicos gostam de estudar coisas estáveis ​​e em sistemas fechados.

"Nós mostramos que as partículas individualmente 'burras' podem se auto-organizar longe do equilíbrio, dissipando energia e emergindo com uma característica coletiva que é dinamicamente adaptativa e reflexiva de seu ambiente, "disse o co-autor do estudo Chad Ropp, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Zhang. "Nesse caso, as partículas seguiram a 'batida' de uma onda sonora gerada por um alto-falante de computador. "

Notavelmente, depois que os pesquisadores intencionalmente quebraram o grupo de partículas, as peças iriam se recompor, mostrando uma capacidade de autocura.

Ropp observou que este trabalho poderia eventualmente levar a uma ampla variedade de aplicativos "inteligentes", como camuflagem adaptável que responde a ondas de som e luz, ou materiais em branco cujas propriedades são gravadas sob demanda por drives controlados externamente.

Embora estudos anteriores tenham mostrado que as partículas são capazes de se automontar em resposta a uma força externa, este artigo apresenta uma estrutura geral que os pesquisadores podem usar para estudar os mecanismos de adaptação em sistemas fora de equilíbrio.

"A diferença em nosso trabalho é que podemos prever o que acontece - como as partículas se comportarão - o que é inesperado, "disse outro co-autor principal, Nicolas Bachelard, que também é pesquisador de pós-doutorado no grupo de Zhang.

À medida que as ondas sonoras viajavam a uma frequência de 4 kilohertz, as partículas de dispersão moveram-se a cerca de 1 centímetro por minuto. Em 10 minutos, o padrão coletivo das partículas emergiu, onde a distância entre as partículas era surpreendentemente não uniforme. Os pesquisadores descobriram que as partículas auto-montadas exibiam um bandgap fonônico - uma faixa de frequência na qual as ondas acústicas não podem passar - cuja borda estava inextricavelmente ligada, ou "escravizado, "à entrada de 4 kHz.

“Esta é uma característica que não estava presente nas partículas individuais, "disse Bachelard." Só apareceu quando as partículas se organizaram coletivamente, é por isso que chamamos isso de uma propriedade emergente de nossa estrutura em condições de não equilíbrio. "

O projeto experimental dificilmente poderia ter sido mais simples. Para o guia de ondas, os pesquisadores usaram um tubo de acrílico de 2 metros de comprimento que continha uma piscina de 5 milímetros de profundidade de uma solução de glicerina-água. As partículas foram feitas de canudos flutuando em cima de um pedaço plano de plástico, e a fonte de som veio de alto-falantes de computador prontos para uso, que os pesquisadores direcionaram para o tubo por meio de um funil de plástico. Medir as ondas sonoras provou ser a parte mais técnica do experimento.

"Isso é algo que você mesmo poderia fazer em sua garagem, "disse Ropp." Foi um experimento muito barato com peças que estão disponíveis em sua loja de ferragens da esquina. Em um ponto, precisávamos de canudos maiores, então saí e comprei um chá de boba. A configuração era extremamente simples, mas mostrou a física lindamente. "

O experimento se concentrou em ondas acústicas porque o isolamento acústico era mais fácil de alcançar, mas os princípios subjacentes ao comportamento que observaram seriam aplicáveis ​​a qualquer sistema de ondas, disseram os pesquisadores.

Esta pesquisa fundamental pode formar a base para o desenvolvimento de redes inteligentes que realizam computação não algorítmica simples, com um futuro em direção a sistemas que realizam tomadas de decisão sencientes, disseram os pesquisadores.

"Posso pensar em paralelos com cérebros artificiais, com seções que respondem a "ondas cerebrais" de diferentes frequências que são maleáveis ​​e reconfiguráveis, "disse Ropp.