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Os físicos demonstraram agora que, dependendo da medida em que a velocidade de propulsão das partículas ativas depende da sua orientação, surgem aglomerados de diferentes formas em sistemas de muitas partículas. Esta pode ser uma possível chave para a realização da matéria programável.
A investigação de sistemas constituídos por partículas autopropelidas – as chamadas partículas ativas – é uma área de pesquisa em rápido crescimento. Em modelos teóricos para partículas ativas, muitas vezes assume-se que a velocidade de natação das partículas é sempre a mesma. Isto não é verdade, contudo, para partículas produzidas em muitas experiências, por exemplo, aquelas impulsionadas por ultra-sons, tais como as que são importantes para aplicações médicas. Nestes casos, a velocidade de propulsão depende da orientação. Como esta dependência afeta o comportamento de sistemas que consistem em muitas partículas – em particular, como afeta a formação de aglomerados – é algo que uma equipe de físicos liderada pelo Prof. Raphael Wittkowski da Universidade de Münster (Alemanha) tem estudado agora. o primeiro a demonstrar num projeto colaborativo com o Prof. Michael Cates da Universidade de Cambridge (Reino Unido/Inglaterra).
Usando uma combinação de simulações computacionais e derivações teóricas, eles estudaram o comportamento de sistemas constituídos por muitas partículas ativas cuja velocidade depende da orientação e, no processo, descobriram uma série de novos efeitos. Os resultados do estudo foram publicados na revista Cartas de revisão física.
O que é interessante do ponto de vista da física é que sistemas constituídos por muitas partículas ativas podem formar aglomerados espontaneamente – mesmo quando as partículas individuais não se atraem de todo. Ao medir o movimento das partículas nas simulações, os pesquisadores chegaram a um resultado particularmente surpreendente. “Normalmente, numa média estatística, as partículas em tais aglomerados simplesmente permanecem onde estão”, explica o autor principal, Dr. Stephan Bröker, do Instituto de Física Teórica da Universidade de Münster. “Por esse motivo, esperávamos que esse fosse o caso aqui também.” Na verdade, porém, os físicos descobriram outra coisa: as partículas saem constantemente do aglomerado por um lado e voltam pelo outro, produzindo assim um fluxo permanente de partículas.
Há também outra diferença em relação ao caso “normal”: os aglomerados que se formam em sistemas de partículas ativas são normalmente circulares. No entanto, nas partículas examinadas, a forma do aglomerado depende de quão fortemente a orientação das partículas influencia a sua velocidade de propulsão – o que pode ser estipulado pelo experimentalista. “Teoricamente, pelo menos, podemos fazer com que as partículas se organizem na forma que quisermos”, explica o co-autor principal, Dr. Jens Bickmann. “Podemos pintar com eles, por assim dizer.” Nas simulações os pesquisadores observaram elipses, triângulos e quadrados. “Isso dá aos resultados uma importância prática”, diz o Dr. Michael te Vrugt, da equipe de Wittkowski e também coautor do estudo. “Para aplicações técnicas – por exemplo, para a realização de matéria programável, tem que ser possível controlar a forma como as partículas se auto-montam – e com a nossa abordagem isso é de facto possível.”
Contexto: Há um grande número de exemplos de partículas ativas na biologia – por exemplo, bactérias nadadoras ou pássaros voadores. Hoje em dia, também é possível realizar partículas artificialmente ativas (nano e microrrobôs): um dos objetivos, por exemplo, é implantá-las no corpo para um transporte direcionado de medicamentos.
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