As ondas viajantes são comumente observadas em sistemas biológicos e sintéticos, e descobertas recentes mostraram como os colóides de prata formam ondas de movimento itinerantes em peróxido de hidrogênio sob luz UV. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Xi Chen e uma equipe de pesquisadores em materiais inteligentes, física e óptica do Harbin Institute of Technology e da Shanghai Jiao Tang University, na China, mostraram a onda de movimento coloidal como um sistema excitável heterogêneo.
Os colóides de prata geraram ondas químicas viajantes por meio de difusão de reação e foram autopropulsados ​​ou advectados por difusão ou osmose. A equipe observou os resultados fundamentais usando corantes sensíveis a hidróxido e pH e usou um modelo Rogers-McCulloch para produzir quantitativa e qualitativamente as características das ondas coloidais. Os resultados abrem o caminho para integrar ondas coloidais como uma plataforma para estudar fenômenos não lineares e investigar o transporte coloidal para explorar a transmissão de informações em conjuntos de microrrobôs biomiméticos.

Traduzindo a oscilação biológica no laboratório

Processos oscilatórios são amplamente observados em sistemas vivos, variando desde o ritmo circadiano até oscilações citosólicas. O acoplamento entre unidades oscilatórias pode levar à sincronização dando origem a ondas viajantes, como observado com ondas de cálcio se espalhando por um óvulo fertilizado, potenciais de ação se propagando através de células cardíacas pulsantes, estados mitóticos e ondas de ameba auto-organizada. Os biofísicos visam entender a natureza físico-química dessas ondas para examinar as tendências subjacentes na vida. Descobertas recentes de coloides oscilantes contendo prata, fotoquimicamente ativos, são uma adição interessante à família de processos não lineares.

Quando os pesquisadores imergiram uma microesfera de polímero inerte semirrevestida com prata em uma solução aquosa de peróxido de hidrogênio ou cloreto de potássio e as expuseram a fontes de luz, notaram a exibição de pulsos. Eles propuseram que as nanopartículas de prata produzidas durante o experimento serviram como hotspots catalíticos para permitir novas reações. Independentemente dos detalhes químicos, a equipe observou como a difusão de produtos químicos impulsionou as partículas de Janus por meio de autodifusioforese, para dar origem a um movimento coloidal semelhante. Neste trabalho, Chen et al ofereceram uma primeira visão para gerar os colóides quimicamente ativos e monitoraram sua resposta a ondas químicas além dos sistemas clássicos de reação-difusão. Os resultados oferecem fortes possibilidades para a pesquisa translacional conectando matéria ativa à ciência não linear para regular enxames de máquinas microscópicas biomiméticas.

As experiências

A equipe observou o desenvolvimento de ondas periódicas de movimento coloidal em propagação sincronizada. Eles já haviam registrado ondas balísticas em uma densidade populacional intermediária, onde colóides ativados na frente de onda se moviam em todas as direções devido à autopropulsão forética. Os pesquisadores notaram o surgimento de tipos de ondas qualitativamente diferentes, conhecidas como ondas de enxame em densidades populacionais ainda mais altas. Neste caso, a equipe desenvolveu microesferas de polimetilmetacrilato semi-revestidas com prata (PMMA-Ag), suspensas em peróxido de hidrogênio e cloreto de potássio e iluminadas com luz de 365 nm. A partícula coloidal contendo prata poderia, em princípio, emitir ondas de enxame. Os resultados experimentais indicaram um resultado semelhante à "onda mexicana" vista em estádios de futebol. A equipe então quantificou a onda de enxame por meio de rastreamento de partícula única e velocimetria de imagem de micropartículas, considerando as partículas coloidais como marcadores de fluxo. Neste caso, a onda viajou a uma velocidade de 16 µm/s, com parâmetros ajustáveis. Mudanças na intensidade da luz mudaram apenas levemente o período e as velocidades de uma onda de enxame. A equipe distinguiu as ondas de enxame de ondas balísticas por meio de sua mobilidade e físico-química características

Chemical waves:The physicochemical nature of a colloidal wave

Chen et al described the physicochemical nature of the activation and recovery of colloidal waves. Since the wave phenomenon is inspired by traveling waves in reaction-diffusion systems, they hypothesized colloidal waves to be underpinned by a traveling chemical wave, due to reaction-diffusion mechanisms. For instance, hydrogen peroxide can decompose faster in higher pH to form a burst of highly oxidative intermediates that oxidized silver into silver chloride. The resulting chemical reactivity activated the silver-colloid to release a burst of chemicals to maintain chemical wave propagation. They confirmed the production of hydroxide anions during silver oxidation, and the formation of hydrogen cations during silver chloride photodecomposition, at and behind the chemical wavefront by using fluorescence mapping and pH measurements.

Colloids respond to a chemical wave:Modeling a reaction-diffusion colloidal wave

The scientists next studied the dynamics of colloidal particles in a chemical wave to dictate the type of colloidal wave formed. They noted ionic self-diffusiophoresis, and at higher ionic densities they noted weaker electro-kinetic effects for reduced self-propulsion. They identified the dynamics of neutral diffusio-osmosis dynamics, which moved colloid particles via advection, in addition to self-propagation. As self-propagation weakened and diffusio-osmosis intensified in a crowded solution with rising ionic strength, the colloidal wave switched to swarming wave. The team observed a range of effects, including electrokinetic effects, advection support via osmosis, and self-propulsion during the experiments. Chen et al next reproduced and corroborated the proposed reaction-diffusion colloidal wave via numerical simulations. At the first step, they used the Rogers-McCulloch model to simulate a chemical wave, the resulting numerical models qualitatively reproduced key features, to explore the dynamics of colloidal waves.

Outlook

In this way, Xi Chen and colleagues developed a numerical model to simulate colloidal waves to study the heterogeneity of chemical waves. The outcomes showed good agreement with simulations and experiments to provide key insights to understand microscopic details of chemical waves in experimental systems. Colloidal waves can be integrated with optical tweezers, acoustofluidics or microfluidics to regulate micro- and nanoscopic objects in space and time. The method is useful to swarm physicochemical dynamics of a colloidal wave and can lead to develop wave-mediated information transmission systems to examine autonomous micro-robots. The colloidal waves present a good model system of reaction-diffusion processes at mesoscopic and microscopic scales. + Explorar mais

Axisymmetric 'spike waves' far exceed limits previously thought to dictate maximum height of ocean waves

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