Partículas autopropulsadas
Las partículas autopropulsadas (SPP), también denominadas partículas autopropulsadas , son términos utilizados por los físicos para describir agentes autónomos , que convierten la energía del entorno en movimiento dirigido o persistente. Los sistemas naturales que han inspirado el estudio y diseño de estas partículas incluyen animales que caminan, nadan o vuelan. Otros sistemas biológicos incluyen bacterias, células, algas y otros microorganismos. En general, las partículas autopropulsadas a menudo se refieren a sistemas artificiales como robots o partículas diseñadas específicamente como coloides nadadores de Janus , nanobarras bimetálicas, nanomotores y granos andantes. En el caso de la propulsión dirigida, que es impulsada por un gradiente químico, esto se denominaquimiotaxis , observada en sistemas biológicos, por ejemplo, detección de quórum de bacterias y detección de feromonas de hormigas, y en sistemas sintéticos, por ejemplo, quimiotaxis de moléculas enzimáticas y partículas duras y blandas impulsadas por enzimas.
Las partículas autopropulsadas interactúan entre sí, lo que puede dar lugar a la aparición de comportamientos colectivos. Estos comportamientos colectivos imitan la autoorganización observada con la bandada de pájaros, el enjambre de insectos, la formación de rebaños de ovejas, etc.
Para comprender la ubicuidad de tales fenómenos, los físicos han desarrollado una serie de modelos de partículas autopropulsadas. Estos modelos predicen que las partículas autopropulsadas comparten ciertas propiedades a nivel de grupo, independientemente del tipo de animales (o partículas artificiales) en el enjambre. [1] Se ha convertido en un desafío para la física teórica encontrar modelos estadísticos mínimos que capturen estos comportamientos. [2] [3] [4]
La mayoría de los animales pueden verse como SPP: encuentran energía en su comida y exhiben varias estrategias de locomoción, desde volar hasta gatear. Los ejemplos más destacados de comportamientos colectivos en estos sistemas son bancos de peces, bandadas de pájaros, rebaños de ovejas, multitudes humanas. A menor escala, las células y bacterias también pueden tratarse como SPP. Estos sistemas biológicos pueden impulsarse en función de la presencia de quimioatrayentes. A una escala aún más pequeña, los motores moleculares transforman la energía ATP en movimiento direccional. Trabajos recientes han demostrado que las moléculas de enzimas también se impulsarán a sí mismas. [5] Además, se ha demostrado que se moverán preferentemente hacia una región de mayor concentración de sustrato, [6] [7]un fenómeno que se ha convertido en una técnica de purificación para aislar enzimas vivas. [8] Además, las micropartículas o vesículas pueden volverse autopropulsadas cuando se funcionalizan con enzimas. Las reacciones catalíticas de las enzimas dirigen las partículas o vesículas en función de los correspondientes gradientes de sustrato. [9] [10] [11]
Hay una distinción entre sistemas húmedos y secos. En el primer caso las partículas "nadan" en un fluido circundante; en el segundo caso las partículas "caminan" sobre un sustrato.
Las partículas coloidales activas, denominadas nanomotores , son el ejemplo prototípico de SPP húmedo. Las partículas de Janus son partículas coloidales con dos lados diferentes, que tienen diferentes propiedades físicas o químicas. Esta ruptura de simetría permite, ajustando adecuadamente el entorno (típicamente la solución circundante), el movimiento de la partícula Janus. Por ejemplo, los dos lados de la partícula de Janus pueden inducir un gradiente local de temperatura, campo eléctrico o concentración de especies químicas. Esto induce el movimiento de la partícula Janus a lo largo del gradiente a través, respectivamente, de termoforesis , electroforesis o difusioforesis .. Debido a que las partículas de Janus consumen energía de su entorno (catálisis de reacciones químicas, absorción de luz, etc.), el movimiento resultante constituye un proceso irreversible y las partículas están fuera de equilibrio.
