Um novo estudo publicado em Cartas de revisão física descreve uma maneira de aumentar a capacidade de carga do microscópio, gotículas autopropelidas conhecidas como "micro-nadadores". Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-organização descobriram que, quando uma escola de micro-nadadores se move na mesma direção dentro de um canal estreito, eles podem aumentar o número de partículas que podem transportar em 10 vezes. Suas descobertas têm implicações para aplicações que variam de sistemas de entrega de drogas a materiais com revestimentos ativos.

Como muitos empreendimentos científicos, este começou com uma observação simples. Enquanto participava de um jantar de conferência no Aquário da Geórgia, o físico Arnold Mathijssen e seus colegas notaram que grandes cardumes de peixes nadadores pareciam carregar pequenas partículas e detritos em seu rastro. Isso acontece por causa do arrastamento hidrodinâmico, um processo onde, à medida que um objeto se move através do líquido, ele gera um fluxo e faz com que os objetos próximos sejam arrastados junto com ele.

"Estávamos nos perguntando, Enquanto os peixes do aquário estão nadando para frente, uma partícula também é arrastada para a frente, ou é empurrado para trás pela cauda? "diz Mathijssen." Nossa questão central era se esses caras movem as coisas para frente ou não, e a hipótese era que, se podemos ver isso acontecendo no aquário, talvez isso também seja aplicável ao microscópio. "

Para responder à pergunta, Chenyu Jin, pesquisadores do Instituto Max Planck, Yibo Chen, e Corinna Maass realizaram experimentos usando micro-nadadores sintéticos, gotículas autopropelidas de óleo e surfactante que são um sistema modelo para robôs microscópicos. Usando seus micro-nadadores, os pesquisadores foram capazes de medir a força dos fluxos gerados por um nadador individual e a quantidade de material que um indivíduo poderia carregar consigo enquanto viajava por um canal bidimensional. Então, uma vez que os dados foram coletados, Mathijssen e seu grupo desenvolveram um modelo teórico para ajudar a explicar suas descobertas.

Um desafio particular para desenvolver o modelo foi conceber uma maneira de descrever os efeitos das paredes do canal microscópico porque, ao contrário do aquário, este experimento foi conduzido em um espaço confinado. "Esse confinamento realmente afeta os fluxos e, como resultado, afeta o volume total de coisas que você pode transportar. Existe bastante literatura em termos de modelagem de partículas ativas, mas é difícil acertar em ambientes complexos, "Mathijssen diz.

Usando seus dados e o modelo recém-desenvolvido, os pesquisadores descobriram que a capacidade de transporte de um micro-nadador individual pode ser aumentada em 10 vezes quando eles nadam juntos dentro de um canal estreito. Eles também descobriram que a velocidade de arrastamento, ou a velocidade com que as partículas se movem para a frente, era muito maior do que o inicialmente previsto.

Comparado a um sistema mais aberto, como o aquário, ter um canal confinado parece aumentar o movimento das partículas, diz Mathijssen. "Se você está em um mundo tridimensional, a energia que você injeta em seu sistema se espalha em todas as direções. Aqui, onde fica focado em um plano bidimensional, a força dos fluxos é maior. É quase como se você tivesse um velório na frente e atrás, então o efeito é duas vezes mais forte, efetivamente, " ele diz.

Outra descoberta surpreendente foi o quão poderoso esse efeito pode ser mesmo em longas distâncias em um sistema como este com um número de Reynolds baixo, um valor usado por cientistas para prever padrões de fluxo de líquido. Sistemas com números de Reynolds baixos têm fluidez, fluxo laminar (como uma cachoeira), e aqueles com valores altos são mais turbulentos.

"Aqui, a diferença entre os números de Reynolds baixos e altos é que, em números de Reynolds baixos, esses fluxos tendem a ser de longo alcance. Mesmo se você estiver a 10 comprimentos de corpo de distância, esses fluxos ainda são significativos. Em números de Reynolds mais altos, isso não é necessariamente verdade porque você tem muita turbulência, e isso perturba esse efeito de arrastamento, "Mathijssen diz.

Os pesquisadores acham que isso pode ser devido à simetria frontal e posterior que ocorre em um sistema fechado. "Em números de Reynolds baixos, você tem uma pressão na frente da gota, e essa pressão está empurrando o líquido para a frente por uma grande distância, "diz Mathijssen.

Experimentos futuros examinarão como esse efeito ocorre em sistemas com números de Reynolds mais altos. Acredita-se que os peixes dependem de um fenômeno semelhante quando nadam próximos uns dos outros em grandes cardumes, semelhante a ciclistas lutando uns contra os outros em um pelotão, então os pesquisadores pensam que um efeito semelhante pode estar acontecendo em outros sistemas também.

E porque a física subjacente descrita neste estudo se aplica a muitos outros também, essas descobertas também têm implicações para uma série de outros campos, desde a concepção de sistemas de entrega de drogas, entender como os biofilmes transportam nutrientes, e projetar materiais ativos, aqueles que têm revestimentos exclusivos ou propriedades que os imbuem com características dinâmicas.

"O quadro mais amplo em termos de física é ver como os componentes ativos individuais podem trabalhar juntos para dar origem a uma funcionalidade compartilhada, o que chamamos de fenômenos emergentes, em escala macroscópica, "diz Mathijssen." E aí, não há livro de regras, ainda não há leis da física que descrevam esses sistemas que estão fora de equilíbrio, portanto, há questões de física teórica fundamentais que ainda precisam ser respondidas. "