Partícules autopropulsadas

Els models de partícules autopropulsadas conseguixen replicar els comportaments emergents que es veuen en els eixams de numeroses espècies animals.

Les partícules autopropulsadas (PAP), també conegudes com a partícules autoimpulsadas, són un concepte utilisat dins de la física per a descriure a agents autònoms que convertixen l'energia del mig en moviment dirigit o persistent. Un gran número de sistemes biològics pot modelar-se dins d'este paradigma, incloent animals caminadores, nadadors o voladores; bactèries, cèlules, algues i atres microorganismes. En alguns casos, especialment de l'univers microscòpic, la propulsió dirigida d'agents biològics pot entendre's en térmens de quimiotaxis.

Existixen, ademés, sistemes artificials que poden representar-se com a partícules autopropulsadas. Estos inclouen partícules de chicoteta escala dissenyades específicament, tals com coloide de Janus, nanomotores, grans errants, i uns atres. També poden entendre's en estos térmens alguns sistemes artificials macroscòpics, com robots, drones i uns atres vehículs no tripulats.

Descripció

L'interacció de les partícules autopropulsadas ocorre d'acort a diverses normes físiques i socials, lo que pot conduir a l'aparició de comportaments colectius, tals com la formació de bandadas d'aus, eixams d'insectes, la formació de raberes d'ovelles, etc.

Per a entendre l'ubiqüitat d'estos fenomens, els físics han desenrollat una série de models. Estos models prediuen que les partícules autopropulsadas compartixen certes propietats a nivell de grup, independentment del tipo d'animals en l'eixam. S'ha convertit en un repte en la física teòrica per a trobar un mínim de models estadístics que descriguen estos comportaments.

Eixemples de partícules autopropulsadas

Sistemes biològics

La majoria dels animals pot ser vistes com PAPs: obtenen l'energia del seu aliment i presenten diverses estratègies de locomoció, des de volar a gatear. Els eixemples més destacats són els bancs de peixos, bandadas d'aus, raberes d'ovelles, multituts. En una escala menor, les cèlules i les bactèries també poden ser tractats com PAP. Estos sistemes biològics poden impulsar-se a partir de la presència de factors quimiotácticos. Inclús a chicoteta escala, motors moleculars transformen l'energia de el ATP en moviment direccional. El treball recent ha demostrat que les molècules de l'enzima també s'impulsen a sí mateixos. Ademés, s'ha demostrat que alvancen preferentment cap a una regió de major concentració de substrat, un fenomen que s'ha convertit en una tècnica de purificació per a aïllar les enzimes «vives».

Sistemes artificials

Normalment es distinguix entre sistemes «humits» i «secs». En el primer cas, les partícules «naden» en un líquit circumdant; en el segon cas, les partícules «caminen» sobre un substrat.

Les partícules coloidales actives són l'eixemple prototípico de mullat PAP: partícules coloidales de Janus tenen dos aspectes diferents, tenen diferents propietats físiques o químiques. Esta ruptura de la simetria permet, per mig de l'adequada sintonia en l'entorn (normalment la solució circumdant), per al moviment de la Janus de la partícula. Per eixemple, les dos cares de Jano partícula pot induir a un local de gradient de temperatura, camp elèctric, o la concentració d'espècies químiques. Açò induïx el moviment de la partícula de Janus a lo llarc del gradient per mig de termoforesis, electroforesis o difusoforesis respectivament. Degut a que les partícules de Janus consumixen l'energia del seu entorn (la catálisis de les reaccions químiques, l'absorció de llum, etc.), el moviment resultant constituïx un procés irreversible i les partícules estan fòra d'equilibri.

• El primer eixemple d'una PAP artificial en la nano o microescala va ser un nanorrodillo bimetálico or-platí desenrollat per Sen i Mallouk. En una solució de peròxit d'hidrogen, este «nanomotor» exhibiria una reacció d'oxidació-reducció catalítica, lo que induïx un fluix de decorregut a lo llarc de la superfície a través de l'auto-difusoforesis. Un sistema similar s'utilisa en una vareta de coure i platí en una solució de bromo.

• Un atre eixemple d'una PAP de janus és un nanomotor organometálico que ampra una microesfera d'or-sílice. Un catalisador de Grubb va ser lligat a la mitat de la partícula de sílice i en una solució de monòmer reduiria a una polimerisació catalítica. El resultat del gradient de concentració a través de la superfície propulsa el motor en la solució.

Els grans caminantes són una materialisació típica de PAPs «en sec»: Els grans són discs milimétricos disposts en una placa vibratoria vertical, que servix com a font d'energia i cantitat de moviment. Els discs tenen dos contactes diferents («peus») en la placa, un peu en forma d'agulla dur en la part davantera del peu i una gran goma blana en la part posterior. Quan són sacsats, els discs es mouen en una direcció preferent definida per la simetria polar (cap-coa) dels contactes. Açò, junt en el soroll de vibració resulta en una passejada aleatòria persistent.