Uma equipe internacional liderada pelo professor Yilin Wu, Professor Associado do Departamento de Física da Universidade Chinesa de Hong Kong (CUHK) fez um novo avanço conceitual no campo da ciência da matéria ativa. A equipe descobriu uma nova rota na qual a auto-organização de fluidos ativos no espaço e no tempo pode ser controlada por uma única propriedade do material chamada viscoelasticidade. Esta nova descoberta pode abrir caminho para a fabricação de uma nova classe de dispositivos e materiais autodirigidos, como a capacidade de controlar o movimento rítmico de robôs suaves sem depender de circuitos eletrônicos, e para o estudo da fisiologia microbiana. Foi publicado na revista científica Natureza .

Um campo interdisciplinar e de rápido crescimento, Os sistemas de estudos científicos da matéria ativa consistem em unidades onde a energia é gasta localmente para gerar trabalho mecânico. A matéria ativa inclui todos os organismos vivos, de células a animais, biopolímeros acionados por motores moleculares, e materiais autopropelidos sintéticos. Os princípios de auto-organização (o processo de produção de estruturas ordenadas por meio da interação entre unidades individuais) aprendidos com esses sistemas podem encontrar aplicações na engenharia de tecidos e na fabricação de novos dispositivos ou materiais bioinspirados.

O estudo foi concebido pelo Professor Wu e seu ex-Ph.D. estudante Song Liu (atualmente um pós-doutorado no Instituto de Ciências Básicas da Coréia). Eles têm um interesse de longo prazo em compreender os fenômenos físicos de auto-organização na matéria biológica ativa, com foco em fluidos ativos constituídos por microrganismos móveis. Em um artigo anterior, co-trabalhei com físicos estrangeiros publicado em Natureza em 2017, eles relataram um mecanismo de sincronização fraco para oscilação coletiva biológica, em que uma ordem temporal robusta emerge de um grande número de trajetórias erráticas, mas fracamente acopladas, de células individuais em suspensões bacterianas. Contudo, o controle simultâneo da ordem espacial e temporal é mais desafiador.

No novo estudo, a equipe de pesquisa CUHK encontrou pistas na viscoelasticidade, uma propriedade comum de fluidos complexos que têm respostas semelhantes a fluido e semelhantes a sólidos sob deformação. Ao manipular a viscoelasticidade de um fluido bacteriano ativo com polímeros de DNA, a equipe encontrou fenômenos espetaculares. O fluido bacteriano ativo primeiro se auto-organiza no espaço em um vórtice rotativo em escala milimétrica, em seguida, exibe a organização temporal conforme o vórtice gigante muda sua quiralidade global periodicamente com frequência sintonizável, como um pêndulo de torção automotor. A equipe acredita que esses fenômenos marcantes podem surgir da interação entre o forçamento ativo e o relaxamento viscoelástico do estresse. O relaxamento viscoelástico ocorre em uma escala de tempo correspondente à transição das respostas do tipo sólido para o do tipo fluido quando um fluido complexo é deformado.

Para entender melhor os fenômenos observados, os pesquisadores do CUHK se uniram aos físicos teóricos Cristina Marchetti, Professor da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara e seu ex-Ph.D. estudante Suraj Shankar, agora um Junior Fellow da Harvard University. Os dois teóricos desenvolveram um modelo de matéria ativa que acopla a atividade bacteriana, estresse elástico de polímero, e os campos de velocidade e polarização bacteriana. A análise e as simulações de computador do modelo reproduzem todas as principais descobertas experimentais, e também explicar o início da ordem espacial e temporal em termos da competição entre as escalas de tempo de relaxamento viscoelástico e forçamento ativo.

Essas novas descobertas demonstram experimentalmente pela primeira vez que a viscoelasticidade dos materiais pode ser aproveitada para controlar a auto-organização da matéria ativa. Ele vai alimentar o desenvolvimento da física fora do equilíbrio e pode abrir caminho para a fabricação de uma nova classe de dispositivos e materiais autodirigidos adaptativos. Por exemplo, quando acoplado a sistemas de atuação de robôs soft, o vórtice ajustável e auto-oscilante em escala milimétrica pode ser usado como um 'gerador de relógio' que fornece sinais de tempo para bombeamento microfluídico programado e para controlar o movimento rítmico de robôs suaves, sem depender de circuitos eletrônicos. Além disso, bactérias em biofilmes e tratos gastrointestinais de animais muitas vezes nadam em fluidos viscoelásticos abundantes em polímeros de cadeia longa. As novas descobertas também sugerem que a viscoelasticidade do ambiente pode modificar os padrões coletivos de movimento das bactérias, influenciando assim a dispersão de biofilmes e a translocação do microbioma intestinal.