Imagine uma pequena gota em forma de donut, coberto de vermes se contorcendo. Os vermes são embalados tão juntos que devem se alinhar localmente um em relação ao outro. Nesta situação, diríamos que os vermes formam um cristal líquido nemático, uma fase ordenada semelhante aos materiais usados ​​em muitos monitores de tela plana.

Contudo, a fase nemática formada pelos vermes é preenchida com pequenas regiões onde o alinhamento local é perdido - defeitos no material alinhado de outra forma. Além disso, porque os vermes estão constantemente se movendo e mudando sua configuração, esta fase nemática está ativa e longe do equilíbrio.

Em pesquisa relatada no jornal Física da Natureza , cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade de Leiden, na Holanda, descreveram os resultados de um exame teórico e experimental combinado de um nemático ativo na superfície de gotículas em formato de donut - toroidais. Contudo, os pesquisadores não usaram vermes reais, mas um nemático ativo composto de filamentos flexíveis cobertos por motores microscópicos que estão constantemente convertendo energia em movimento.

Este material ativo em particular, originalmente desenvolvido na Brandeis University, empresta elementos da maquinaria celular, com feixes de microtúbulos semelhantes a bastonetes formando os filamentos, proteínas motoras de cinesina atuando como motores, e ATP como combustível. Quando esta atividade é combinada com defeitos, os defeitos "ganham vida, "movendo-se como microorganismos nadadores e explorando o espaço - neste caso, explorando a superfície das gotículas toroidais.

Ao estudar gotículas toroidais cobertas por este nemático ativo, os pesquisadores confirmaram uma previsão teórica de longa data sobre os cristais líquidos em equilíbrio, discutido pela primeira vez por Bowick, Nelson e Travesset [Phys.Rev. E 69, 041102 (2004)] que defeitos nemáticos na superfície curva de tais gotículas serão sensíveis à curvatura local. Contudo, uma vez que o nemático ativo usado neste trabalho está longe do equilíbrio, os pesquisadores também descobriram como a atividade interna mudou e enriqueceu as expectativas.

"Tem havido previsões que dizem que os defeitos são muito sensíveis ao espaço que habitam, especificamente para a curvatura do espaço, "disse Perry Ellis, um estudante de graduação na Georgia Tech School of Physics e o primeiro autor do artigo. "O toro é um ótimo lugar para investigar isso porque a parte externa do toro, a parte que se parece localmente com uma esfera, tem curvatura positiva, enquanto a parte interna de um toro, a parte que parece uma sela, tem curvatura negativa. "

“A quantidade que caracteriza um defeito é o que chamamos de sua carga topológica ou número de enrolamento, "disse Alberto Fernandez-Nieves, um professor na Escola de Física da Georgia Tech e outro dos co-autores do artigo. "Ele expressa como a direção de alinhamento do cristal líquido nemático muda à medida que contornamos o defeito. Essa carga topológica é quantizada, o que significa que ele só pode obter valores de um conjunto discreto que são múltiplos da metade. "

Nestes experimentos, cada defeito tem uma carga topológica de +1/2 ou -1/2. Para determinar a carga e a localização de cada defeito, Ellis observou as gotículas toroidais ao longo do tempo usando um microscópio confocal e então analisou o vídeo resultante usando técnicas emprestadas da visão computacional. Os pesquisadores descobriram que mesmo com os motores moleculares deixando o sistema fora de equilíbrio, os defeitos ainda eram capazes de sentir a curvatura, com os defeitos +1/2 migrando em direção à região de curvatura positiva e os defeitos -1/2 migrando em direção à região de curvatura negativa.

Neste novo trabalho, os cientistas deram um passo à frente na compreensão de como controlar e orientar os defeitos em um material encomendado.

"Aprendemos que podemos controlar e guiar a matéria ativa parcialmente ordenada usando a curvatura do substrato subjacente, "disse Fernandez-Nieves." Este trabalho abre oportunidades para estudar como os defeitos nesses materiais se organizam em superfícies que não possuem curvatura constante. Isso abre a porta para controlar a matéria ativa usando a curvatura. "

Uma descoberta inesperada do estudo foi que o movimento constante dos defeitos faz com que a carga topológica média se torne contínua, não mais aceitando apenas valores múltiplos de metade.

"No limite ativo de nossos experimentos, descobrimos que a carga topológica se torna uma variável contínua que agora pode assumir qualquer valor, "disse Fernandez-Nieves." Isso é uma reminiscência do que acontece com muitos sistemas quânticos em alta temperatura, onde o quantum, a natureza discreta dos estados acessíveis e variáveis ​​associadas é perdida.

Em vez de ser caracterizado por propriedades quantizadas, o sistema passa a ser caracterizado por propriedades contínuas. "

As observações de Ellis das gotas foram bem comparadas com as de simulações numéricas feitas pelo professor assistente Luca Giomi e pelo pesquisador de pós-doutorado Daniel Pearce no Instituut-Lorentz de Física Teórica da Universiteit Leiden na Holanda.

"Nosso modelo teórico nos ajudou a decifrar os resultados experimentais e compreender totalmente o mecanismo físico que rege o movimento do defeito, "disse Pearce, "mas também nos permitiu ir além das evidências experimentais atuais." Giomi acrescentou:"A atividade muda a natureza da interação entre os defeitos e a curvatura. Em sistemas fracamente ativos, os defeitos são atraídos por regiões de curvatura gaussiana de sinal semelhante. Mas em sistemas fortemente ativos, esse efeito torna-se menos relevante e os defeitos se comportam como caminhantes aleatórios persistentes confinados em um espaço fechado e não homogêneo ".

Existem muitos exemplos de sistemas ativos impulsionados por atividades internas, incluindo microorganismos nadadores, bandos de pássaros, enxames de robôs e fluxos de tráfego. "Os materiais ativos estão por toda parte, portanto, nossos resultados não se limitam a apenas este sistema em um toro, Ellis acrescentou. "Você poderia ver o mesmo comportamento em qualquer sistema ativo com defeitos."

A pesquisa prepara o terreno para trabalhos futuros em fluidos ativos. "Nossos resultados apresentam uma nova estrutura para explorar as propriedades mecânicas de fluidos ativos e sugerem que a matéria ativa parcialmente ordenada pode ser guiada e controlada por meio de gradientes na geometria intrínseca do substrato subjacente, "os autores escreveram em um resumo de seu artigo.