Físicos da Universidade de Michigan desenvolveram uma maneira de manipular fluidos ativos, um tipo de fluido composto por unidades individuais que podem se impulsionar de forma independente, aproveitando os defeitos topológicos dos fluidos.



Os pesquisadores mostraram que poderiam usar pinças semelhantes às pinças ópticas – lasers altamente focados que podem ser usados ​​para movimentar átomos e outros materiais microscópicos e submicroscópicos – para manipular os defeitos topológicos dos fluidos e controlar como esses fluidos ativos fluem. O estudo, liderado pelo físico da UM, Suraj Shankar, foi publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences. .

Você pode pensar em um fluido ativo como um bando de pássaros, diz Shankar. Num murmúrio, uma enorme nuvem de estorninhos, pássaros se contorcerão e girarão em uníssono, formando formas da nuvem. Mas embora o murmúrio pareça estar se movendo como um organismo, o movimento é feito de pássaros individuais movidos por seus conjuntos individuais de asas.

Da mesma forma, os fluidos ativos são compostos de componentes individuais, como bactérias na água ou átomos em um cristal, mas cada unidade se move por conta própria se for iluminada com luz ou receber “alimento” por meio de uma reação química, de acordo com Shankar. Os pesquisadores já projetaram bactérias para que, quando iluminam as bactérias, algumas bactérias no líquido nadem mais rápido e outras nadem mais devagar.

"E você pode alterar esse padrão como quiser. Ao alterar a velocidade com que as bactérias nadam localmente, você pode pintar rostos de pessoas famosas ou alterá-lo e criar uma paisagem", disse Shankar, professor assistente de física na UM.

"Dado que essas plataformas experimentais existem e agora somos capazes de manipular esses materiais controlando a velocidade com que as coisas se movem, perguntamos:podemos desenvolver uma estrutura na qual possamos controlar as velocidades locais das coisas que compõem os fluidos ativos?" para que possamos controlá-los de forma sistemática?"

A equipe de pesquisa também inclui os coautores Cristina Marchetti e Mark Bowick, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, e Luca Scharrer, que conduziu grande parte da pesquisa durante a graduação na UCSB.

A equipe se concentrou em um fluido ativo popular chamado fluido nemático, composto de cristais líquidos – o mesmo tipo de cristais líquidos que compõem smartphones, tablets e monitores de computador. Esses cristais líquidos são fluidos compostos de moléculas longas que podem se alinhar e se ordenar como fósforos em uma caixa de fósforos ou toras de madeira empilhadas e fluindo rio abaixo, diz Shankar.

Mas quando impulsionados por reações químicas, esses fluidos nemáticos tornam-se ativos e têm a capacidade de bombear fluidos, o que lhes permite mover-se sem forças aplicadas externamente ou gradientes de pressão.

Shankar e colegas usaram esse recurso característico e aplicaram princípios de simetria, geometria e topologia da matemática para desenvolver princípios de design que permitirão aos pesquisadores controlar a trajetória de cristais individuais dentro dos fluidos nemáticos.

Seus métodos baseiam-se em diferenças na forma como esses objetos em forma de bastão se alinham no líquido. Eles podem estar desalinhados em alguns pontos, o que faz com que os cristais líquidos se dobrem em torno do ponto de desalinhamento, como um redemoinho em um rio.

Isto cria padrões diferentes no fluido, semelhantes às cristas das suas impressões digitais, diz Shankar. Nos cristais líquidos, há pontos onde a linha de cristais se curva e se parece com um cometa, ou forma um símbolo que se parece com o logotipo da Mercedes.

Se você adicionar energia ao sistema e tornar o fluido ativo, esses padrões, chamados defeitos topológicos, ganham vida.

“Esses padrões começam a se mover e movimentam e agitam o fluido, quase como se fossem partículas reais”, disse Shankar. "Controlar esses padrões individuais associados aos defeitos parece uma tarefa mais simples do que controlar cada componente microscópico de um fluido."

O projeto começou quando Scharrer desenvolveu simulações para modelar o fluxo de fluidos ativos e rastrear a localização de defeitos topológicos, tentando testar uma hipótese apresentada por Shankar e Marchetti. Mostrando os resultados de sua simulação a outros pesquisadores, Scharrer e a equipe descobriram como essas respostas complexas poderiam ser explicadas matematicamente e convertidas em princípios de design para controle de defeitos.

No estudo, Scharrer criou maneiras de criar, mover e trançar padrões topológicos usando o que eles chamam de pinças topológicas ativas. Estas pinças podem transportar ou manipular estes defeitos ao longo das trajetórias espaço-temporais como se fossem partículas, controlando a estrutura e a extensão das regiões onde a atividade química impulsiona o bombeamento de fluidos. O movimento resultante do fluido ativo em torno dos redemoinhos dos defeitos topológicos permite seu movimento sem fim.

“Penso que este trabalho é um belo exemplo de como a investigação motivada pela curiosidade, em comparação com o trabalho orientado para problemas ou para o lucro, pode levar-nos a direções tecnológicas completamente inesperadas”, disse Scharrer, agora estudante de doutoramento na Universidade de Chicago.

"Começamos este projeto porque estávamos interessados ​​na física fundamental dos defeitos topológicos e acidentalmente tropeçamos em uma nova maneira de controlar fluidos biológicos ativos e bioinspirados. Se tivéssemos esse objetivo final em mente desde o início, quem sabe se tivéssemos encontrado alguma coisa."

Os pesquisadores também demonstram como padrões de atividade simples podem controlar grandes coleções de defeitos em turbilhão que impulsionam continuamente fluxos de mistura turbulentos.

Shankar diz que embora o campo seja novo e seu método seja comprovado usando modelos computacionais neste momento, algum dia as pessoas poderão usar esse conceito na criação de sistemas de microteste para fins de diagnóstico ou para criar pequenas câmaras de reação. Outra aplicação potencial poderia ser no campo da robótica leve ou sistemas leves, nos quais as capacidades de computação poderiam ser distribuídas por materiais macios e flexíveis.

"Estes são tipos incomuns de fluidos que têm propriedades muito interessantes e colocam questões muito interessantes em física e engenharia sobre as quais podemos encorajar outros a pensar", disse Shankar.

"Dada esta estrutura neste sistema que demonstramos, esperamos que outros possam pegar ideias semelhantes e aplicá-las ao seu modelo e sistema favoritos, e esperamos fazer outras descobertas que sejam igualmente emocionantes."