El movimiento colectivo se define como el surgimiento espontáneo de un movimiento ordenado en un sistema que consta de muchos agentes autopropulsados . Se puede observar en la vida cotidiana, por ejemplo, en bandadas de pájaros , bancos de peces , manadas de animales y también en multitudes y tráfico de automóviles. También aparece a nivel microscópico: en colonias de bacterias, ensayos de motilidad y partículas autopropulsadas artificiales . [1] [2] [3] La comunidad científica está tratando de comprender la universalidad de este fenómeno. En particular, se investiga intensamente en física estadística y en el campo demateria activa . Para estudiar estos fenómenos se realizan en paralelo experimentos con animales, [4] partículas biológicas y autopropulsadas sintetizadas , simulaciones [5] y teorías [6] [7] . Uno de los modelos más famosos que describe tal comportamiento es el modelo de Vicsek introducido por Tamás Vicsek et al. en 1995. [8]
Comportamiento colectivo de partículas autopropulsadas [9]
Al igual que los sistemas biológicos en la naturaleza, las partículas autopropulsadas también responden a gradientes externos y muestran un comportamiento colectivo. Los micromotores o nanomotores pueden interactuar con gradientes autogenerados y exhibir un comportamiento de escolarización y exclusión. [10] Por ejemplo, Ibele, et al. demostraron que los micromotores de cloruro de plata, en presencia de luz ultravioleta, interactúan entre sí en altas concentraciones y forman cardúmenes. [11] También se puede observar un comportamiento similar con micropartículas de dióxido de titanio. [12] Las micropartículas de ortofosfato de plata exhiben transiciones entre los comportamientos de escolarización y exclusión en respuesta al amoníaco, el peróxido de hidrógeno y la luz ultravioleta. [13] [14] Este comportamiento se puede utilizar para diseñar una puerta NOR ya que diferentes combinaciones de los dos diferentes estímulos (amoníaco y luz ultravioleta) generan diferentes salidas. Las oscilaciones entre la escolarización y los comportamientos de exclusión también se pueden ajustar a través de cambios en la concentración de peróxido de hidrógeno. Los flujos de fluido generados por estas oscilaciones son lo suficientemente fuertes como para transportar carga a microescala e incluso pueden dirigir el ensamblaje de sistemas de cristales coloidales compactos. [15]
Los micromotores y nanomotores también pueden moverse preferentemente en la dirección de gradientes químicos aplicados externamente, un fenómeno definido como quimiotaxis . Se ha observado quimiotaxis en nanobarras de Au-Pt autopropulsadas, que se difunden hacia la fuente de peróxido de hidrógeno cuando se colocan en un gradiente de la sustancia química. [16] Las micropartículas de sílice con catalizador de Grubbs unido a ellas también se mueven hacia concentraciones de monómero más altas. [17] Las enzimas también se comportan como nanomotores y migran hacia regiones de mayor concentración de sustrato, lo que se conoce como quimiotaxis enzimática. [18] [19] Un uso interesante de la quimiotaxis nanomotora enzimática es la separación de enzimas activas e inactivas en canales microfluídicos. [20] Otro es la exploración de la formación de metabolones mediante el estudio del movimiento coordinado de las primeras cuatro enzimas de la cascada de la glucólisis: hexoquinasa, fosfoglucosa isomerasa, fosfofructoquinasa y aldolasa. [21] [22] Más recientemente, las partículas recubiertas de enzimas han mostrado un comportamiento similar en gradientes de reactivos en canales microfluídicos. [23] En general, la quimiotaxis de partículas biológicas y autopropulsadas sintetizadas proporciona una forma de dirigir el movimiento a microescala y puede usarse para administración de fármacos, detección, dispositivos de laboratorio en un chip y otras aplicaciones. [24]
Ver también
Notas
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Otras referencias
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enlaces externos
- Los físicos se reúnen para explorar la mecánica del movimiento colectivo The Guardian , 13 de enero de 2014.