Explicar ondas y vórtices en materia activa subcrítica.

El material activo está compuesto por entidades individuales que convierten la energía en trabajo, lo que las hace moverse y les permite organizarse espontáneamente debido a sus interacciones mutuas. Muchos sistemas vivos pueden ser vistos desde este ángulo (En geometría, la noción general de ángulo viene en varios conceptos…), pero también, cada vez más, conjuntos de micropartículas activas sintéticas o extraídas de células. El enfoque teórico de la materia (Materia es la sustancia que compone cualquier cuerpo que tiene una realidad tangible. Su…) activo no se beneficia de los resultados generales válidos en el equilibrio termodinámico (Podemos definir la termodinámica de dos maneras simples: la ciencia de calor…), pero conserva los temas principales: simetrías, leyes de conservación y transiciones de fase (La palabra fase puede tener varios significados, se usa en varios campos y…) son determinantes, pero las propiedades emergentes del ingrediente activo son a menudo nuevos, ofreciendo nuevas formas de autoorganización (La autoorganización es un fenómeno de ordenamiento creciente y va en la dirección opuesta a…) dinámica (La palabra dinámica se usa a menudo para designar o calificar lo que se relaciona con movimienot.

En un artículo reciente publicado en PNAS, Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), Xia-qing Shi y el grupo de Tian Hui Zhang (Universidad de Suzhou) muestran que un sistema de coloides activos justo por debajo del crítico (es decir, cerca del umbral de su puesta en movimiento) exhibe nuevos tipos espectaculares de dinámicas colectivas autoorganizadas, como vórtices aislados autoorganizados compuestos por miles de partículas.

Los sistemas de materia activa generalmente estudiados consisten en objetos (biofilamentos, células, partículas coloidales, robots, animales, etc.) que se mueven, incluso cuando están solos o aislados. Sus propiedades colectivas son fascinantes y su estudio permite comprender mejor cómo la energía (En el sentido común, energía designa todo lo que hace posible realizar un trabajo, fabricar…) inyectada en el sistema se convierte en trabajo. .

Los resultados de estudios realizados por Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) y Xia-qing Shi, asociado al grupo de Tian Hui Zhang (Universidad de Soochow) y publicados recientemente en PNAS, muestran que partículas aisladas potencialmente activas pero prácticamente sin actividad perceptible movimiento puede exhibir propiedades de organización colectiva específicas y notables (Una organización es) debido a la interacción (Una interacción es un intercambio de información, afectos o energía entre dos agentes dentro de…) con sus compañeros. Combinando experimentos, teoría (La palabra teoría proviene de la palabra griega theorein, que significa «contemplar, observar,…) y simulaciones numéricas, se demuestra que tal material activo subcrítico se puede producir con «rodillos de Quincke». : a través de su trabajo pionero (1896) Georg Hermann Quincke* demostró que las partículas coloidales aislantes inmersas en un fluido (Un fluido es un medio material perfectamente deformable. Agrupamos bajo este…) conductoras y sujetas a un campo eléctrico (En física, un campo eléctrico es un campo creado por partículas continuas…) con una intensidad superior a un umbral Ec que experimentan una inestabilidad que conduce a su rotación en el fluido. Para partículas más densas que el fluido, las partículas comienzan a rodar en el fondo del recipiente en una dirección arbitraria.

Esta dinámica colectiva de los rollos de Quincke* ya ha sido estudiada en el régimen supercrítico E > Ec. Se muestra aquí que los fenómenos colectivos espectaculares también surgen en el régimen subcrítico, es decir, para un campo (Un campo corresponde a una noción de espacio definido:) menor que Ec. En este régimen es posible una cierta dinámica, porque las partículas cercanas entre sí pueden empezar a rodar incluso para E c. Los fenómenos organizados informados incluyen ondas rápidas (Una onda es la propagación de una perturbación que produce una variación reversible en su trayectoria…) de actividad (El término actividad puede designar una profesión) y vórtices aislados estables de tamaño arbitrario compuestos por miles de partículas moviéndose a la misma velocidad (Distinguimos:).

Resultados experimentales: (A) Esquema del dispositivo experimental. (BJ) Diferentes vistas donde las partículas están coloreadas según su velocidad (según el código de color mencionado a la derecha). La escala espacial mencionada es de 100 μm. Las partículas en reposo se dejan blancas (El blanco es el color de un cuerpo calentado a aproximadamente 5000°C (ver…). Las cifras en la fila superior muestran una densidad (La densidad o densidad relativa de un cuerpo es la relación entre su densidad y la densidad…) de partículas altas (BE, Φ ≃ 0,4) y se ordenan de izquierda a derecha según el valor creciente de E/Ec. De manera similar para la fila inferior donde la densidad de partículas es baja (FJ, Φ ≃ 0,2) .

Se obtienen diferentes configuraciones según los valores de E/Ec: las imágenes B y F muestran cúmulos en reposo, con un orden hexático local de 0,65 Ec. (C) onda grande (Una onda es un movimiento oscilatorio de la superficie de un océano, un mar o un lago. El…) de actividad en E = 0,89 Ec. (D) flocado subcrítico a gran escala (La gran escala, también llamada escala de aire o escala propia, es una…) a E = 0,98 Ec. (E) Flocado subcrítico a E = 0,98 Ec. (G) Actividad localizada en E = 0,9 Ec. (H) Tourbillon autoestabilizador aislado en E = 0,948 Ec. (I) Anillo autoestabilizador aislado en E = 0,968 Ec. (J) Copo de nieve en espiral (En matemáticas, una espiral es una curva que comienza en un punto central y luego termina…) en E = 0.98 Ec.

Estas notables dinámicas colectivas no pueden explicarse por los modelos simples generalmente aplicables a tales sistemas. Debe introducirse un nuevo tipo de modelo para dar cuenta del conjunto (en la teoría de conjuntos, un conjunto designa intuitivamente una colección…) de fenómenos observados.

Resultados del modelado: (AE) Configuraciones típicas en un dominio de 960 μm con condiciones de contorno periódicas. Los discos de 10 μm de diámetro están centrados en las posiciones de las partículas. Las partículas inmóviles están en blanco mientras que las en movimiento están coloreadas según su velocidad con el código de color mencionado en (E). (A) ondas de actividad que se propagan de izquierda a derecha en un sistema denso (mc = 8,9, Φ = 0,33, es decir, ~3900 partículas). (B) Régimen de flocado subcrítico en un sistema denso con partículas (~ 5530) que se mueven principalmente de derecha a izquierda (mc = 3, Φ = 0,47). (CE) formación de vórtice y estructura de anillo (Φ = 0,12, 1433 partículas). (C) vista (La vista es el sentido que permite observar y analizar el entorno recibiendo y…) instantáneo en estado transitorio (mc = 3). (D) vórtice final que incluye la mayoría de las partículas del sistema (mc = 0,5). (E) Configuración final del anillo que incluye la mayoría de las partículas del sistema (mc = 0,05).

Las figuras que muestran los resultados experimentales y los del modelado El experimento y el modelado muestran así toda la riqueza del sistema estudiado, donde es necesario obtener una descripción de las propiedades colectivas de las partículas activas consideradas, más allá de las interacciones entre partículas normalmente considerados en modelos simples de materia activa, para tener en cuenta el fluido que los rodea y las configuraciones locales.

Este estudio continúa actualmente a través de la exploración (Exploración es el acto de buscar con la intención de descubrir algo desconocido), experimental (En el arte, se trata de enfoques creativos basados ​​en un cuestionamiento de la cuestión de los dogmas…) información es información…) de varias vías prometedoras: aplicación de un campo modulado periódicamente, uso simultáneo de varios tamaños de partículas, etc. Esto permite variar más de un parámetro (Un parámetro es en sentido amplio un elemento de información a tener en cuenta…) que el simple valor del campo eléctrico constante, revelando siempre más modos de autoorganización dinámica.

Referencias:
«Ondas de actividad y vórtices independientes en poblaciones de rodillos Quincke subcríticos»
Zeng Tao Liu (Liu (chinois: 刘秀, pinyin: liǔ xiù) est une loge lunaire de…), Yan Shi, Yongfeng Zhao, Hugues Chaté, Xia-qing Shi y Tian Hui Zhang, PNAS 118(40) (2021) e2104724118.

Nota:
* Rollos de Quincke: estructuras observadas por Georg Hermann Quincke en 1896, hermano de Heinrich Quincke, primero en describir en 1882 el angioedema, o angioedema.

Colaboración:
ZT Liu, Y. Shi, Y. Zhao, H. Chaté, X.-q. Shi y TH Zhang, Centro de Física de Materia Condensada Blanda e Investigación Interdisciplinaria, Universidad de Soochow, Suzhou (Suzhou (chinois simplifié: 苏州; chinois traditionnel:…) 215006, China.

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