Bandos de estorninhos que produzem padrões deslumbrantes no céu são exemplos naturais de matéria ativa - grupos de agentes individuais que se unem para criar dinâmicas coletivas. Em um estudo apresentado na capa da edição de 6 de março da revista Ciência , uma equipe de pesquisadores que inclui físicos da Brown University revela novos insights sobre o que acontece dentro dos sistemas de matéria ativa.

A pesquisa descreve experimentos usando um nemático ativo tridimensional. Nematic descreve um estado da matéria que surge no tipo de cristais líquidos amplamente usados ​​em smartphones e telas de televisão. As moléculas em forma de charuto em cristais líquidos são capazes de se mover como em um líquido, mas tendem a permanecer ordenados mais ou menos na mesma direção, um pouco como um cristal.

Em um cristal líquido normal, as moléculas são passivas, o que significa que eles não têm a capacidade de autopropulsão. Mas o sistema envolvido neste novo estudo substitui essas moléculas passivas por minúsculos feixes de microtúbulos, cada um com a capacidade de consumir combustível e se propelir. O objetivo da pesquisa era estudar como esses elementos ativos afetam a ordem do sistema.

"Esses microtúbulos tendem a se alinhar, mas também continuamente destrói sua própria ordem de alinhamento com seu movimento, "disse o co-autor do estudo Daniel Beller, um professor assistente de física na Universidade da Califórnia, Merced, que começou a trabalhar na pesquisa enquanto ele era um pesquisador de pós-doutorado na Brown. "Portanto, existem movimentos coletivos que criam defeitos no alinhamento, e é isso que estudamos aqui. "

Conforme o sistema evolui, os defeitos parecem ganhar vida em algum sentido, criando linhas, loops e outras estruturas que serpenteiam pelo sistema. Os pesquisadores estudaram as estruturas usando topologia, um ramo da matemática preocupado em como as coisas se deformam sem quebrar.

“Se o seu objetivo é entender a dinâmica desses sistemas, então, uma maneira de fazer isso é se concentrar nessas estruturas topológicas emergentes como uma forma de caracterizar a dinâmica, "disse Robert Pelcovits, professor de física na Brown e co-autor do estudo. "Se pudermos obter princípios orientadores deste sistema simples, isso pode nos ajudar a entender outras mais complicadas. "

Beller, Pelcovits e Thomas Powers, professor de engenharia e física na Brown, conduziu o trabalho teórico do estudo. O trabalho experimental foi realizado por pesquisadores da Brandeis University e da University of California, Santa Barbara. Pesquisadores do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-organização, a Universidade de Chicago, Brandeis e a Eindhoven University of Technology contribuíram com sua experiência em modelagem de computador.

Esse tipo de trabalho foi feito em sistemas bidimensionais, mas esta é a primeira vez que um sistema 3-D foi estudado dessa forma. A pesquisa mostrou que as estruturas topológicas dominantes no sistema eram estruturas em loop que emergem espontaneamente, expandir e então se auto-aniquilar.

Os loops estão relacionados aos tipos de defeitos que surgem em sistemas 2-D mais bem estudados, mas eles diferem de uma maneira fundamental, dizem os pesquisadores. Em 2-D, defeitos surgem em pares de pontos que têm características opostas ou "cargas, "um pouco como partículas e antipartículas. Uma vez que se formam, eles existem até que eventualmente encontrem um defeito com a carga oposta, o que faz com que eles sejam aniquilados.

Os loops que se formam em 3-D, em contraste, não tem carga. Como resultado, eles se formam e aniquilam por conta própria. Eles ainda estão relacionados às estruturas de defeitos 2-D, Contudo. Na verdade, os loops 3-D podem ser considerados extensões de defeitos de ponto 2-D. Imagine dois defeitos pontuais em uma superfície 2-D. Agora conecte esses dois pontos com um arco que se eleva da superfície 2-D, e um segundo arco na parte inferior da superfície. O resultado é um loop que tem ambas as cargas dos pontos, mas tem carga neutra. Isso permite a nucleação e aniquilação por conta própria.

Os pesquisadores têm esperança de que esta nova compreensão da dinâmica deste sistema seja aplicável em sistemas do mundo real, como colônias de bactérias, estruturas e sistemas no corpo humano, ou outros sistemas.

"O que encontramos aqui é um conjunto bastante geral de comportamentos que pensamos que estarão totalmente presentes em sistemas semelhantes que têm essa tendência de se alinhar, mas que também estão transformando a energia armazenada em movimento, "Beller disse.