Libertar milhares de microorganismos para nadar em direções aleatórias em uma piscina infinita de líquido pode não soar como uma receita para pedir, mas, eventualmente, o enxame seguirá seu próprio fluxo.

A modelagem teórica liderada pelo matemático aplicado da Universidade de Wisconsin-Madison, Saverio Spagnolie, mostra que as forças geradas por diferentes tipos de pequenos nadadores irão varrê-los de maneiras previsíveis.

"Quando cada partícula individual experimenta os fluxos criados por todas as outras partículas, sabe-se que efeitos realmente surpreendentes podem surgir naturalmente, "diz Spagnolie." Os fluxos e orientações dos nadadores tornam-se coerentes em uma escala de comprimento muito mais longa do que qualquer partícula individual, resultando em enormes bandos de organismos nadando na mesma direção e, talvez sem querer, trabalhando juntos."

O movimento de multidões de coisas pequenas demais para serem vistas facilmente - como organismos unicelulares e filamentos dentro de células individuais responsáveis ​​pela divisão celular - é extremamente importante para a pesquisa em ciência dos materiais, engenharia e bioquímica.

Simulando as interações de grandes grupos de partículas, cada uma delas criando um fluxo, Spagnolie e Arthur Evans da UW – Madison, O físico Christopher Miles da Universidade de Michigan e o matemático Michael Shelley do Flatiron Institute e da New York University descobriram que, quando as partículas são confinadas a uma folha fina e podem se expandir em um fluido vazio, o movimento coletivo pode ser descrito por equações já usadas em problemas clássicos totalmente diferentes da mecânica dos fluidos. O grupo publicou suas descobertas hoje no jornal Cartas de revisão física .

"Se você está resolvendo a trajetória de 10, 000 ou 100 ou mesmo 10 coisas saltando, é difícil ver o que está acontecendo. Você pode perder de vista a estrutura profunda, "diz Spagnolie, cujo trabalho é apoiado pela National Science Foundation. "Mas se houver partículas suficientes, eles podem ser vistos como um tipo de fluido ativo, com equações que descrevem a velocidade e densidade de um grupo local de partículas - assim como pensamos em derivar equações para descrever o fluxo de água ou ar. "

Os pesquisadores trabalharam as equações relevantes para partículas que se movem por vários meios - nadadores que ativamente se empurram ou puxam através do fluido, e tipos (como microtúbulos dentro de uma célula) que se empurram ou puxam por meios moleculares sem apêndices ativos como flagelos - e os colocam em movimento.

"A partir dessa perturbação surge esta explosão de movimento, "Spagnolie diz." E então observamos como as diferentes forças atuam em diferentes tipos de partículas. "

Enquanto uma colônia de nadadores puxando, por exemplo, se estende em uma linha perpendicular à direção para a qual estão indo, uma colônia de empurradores se estende rapidamente na direção do movimento, e então se dobra continuamente em uma cascata de dobras que vão encolhendo.

"Que esses indivíduos podem se agrupar passivamente devido apenas às suas interações fluidas, e que isso resulta em eventos e efeitos em grande escala que eles não podem alcançar como partículas independentes, é relevante para muitas funções biológicas, como mistura de nutrientes e resistência bacteriana a antibióticos em enxames bacterianos e biofilmes, "Spagnolie diz.

Os pesquisadores acreditam que sua descrição teórica do rápido crescimento de folhas ativas - que inesperadamente se assemelhavam a equações bem conhecidas como as usadas para descrever o movimento de fluidos presos entre as placas ou dispersos pelo solo - será útil para outros que trabalham no ponto onde os fluidos interagir com motores em miniatura, como bactérias e microtúbulos.

"Esta é uma das primeiras considerações teóricas de partículas concentradas invadindo um fluido a granel, "Spagnolie diz." A esperança é que este seja um caso de experimento conduzido por teoria, oferecendo previsões que podem ser validadas ou invalidadas por pesquisadores que estão muito próximos de realizar tal experimento. "