Se você já viu um bando de pássaros para se mover em um uníssono perfeito ou viu ondulações viajarem por um lago, você testemunhou a extraordinária capacidade da natureza de coordenar o movimento. Recentemente, uma equipe de cientistas e engenheiros da Universidade de Rice descobriu um fenômeno semelhante em escala microscópica, na qual pequenas partículas magnéticas lideradas pelos campos rotativos se movem espontaneamente ao longo das bordas dos aglomerados liderados por “correntes de placa” invisíveis que seguem as regras de um ramo inesperado da física. A pesquisa foi publicada na revista Physical Review Research.
“Quando vi os dados iniciais – com fluxos de partículas que se movem mais rapidamente ao longo das bordas que no meio – eu disse: ‘Estes estão em fluxos de placa!’ E tivemos a oportunidade de trabalhar explorando isso “, disse o autor correspondente Evelyn Tang, professor assistente de física e astronomia. “O que é muito emocionante é que podemos explicar sua emergência usando idéias de física topológica, um campo que se tornou importante devido a computadores quânticos e materiais exóticos”.
Em seus experimentos, a equipe suspendeu colóides superparamagnéticos – pensa em pequenas pérolas magnéticas cerca de cem vezes menores que um grão de areia – em água salgada. Eles então aplicaram um campo magnético rotativo, que fazia partículas formadas em diferentes formas: às vezes eles formavam aglomerados circulares densos e outras vezes espalhadas em folhas com orifícios vazios ou “vazios”.
O experimento tornou -se particularmente interessante quando as partículas ao longo das bordas externas dessas formas começaram a se mover mais rápido, além disso, formando uma espécie de correia transportadora ao redor da borda.
“Chamamos esse fluxo de arestas”, disse o autor do co-prima Aleksandra Nelson, um ex-membro pós-ditado no Laboratório Tang. “É basicamente uma corrente que é naturalmente formada ao redor da fronteira sem que ninguém a empurre”.
Para entender por que isso ocorreu, os pesquisadores se voltaram para algo chamado Topological Physical, que é uma maneira de descrever os sistemas em que o movimento ou o comportamento são controlados pela forma ou layout geral, e não pelos detalhes exatos.
“A topologia é como os sinais da rodovia que determinam o fluxo de tráfego”, disse o treinador Sibani Lisa Biswal, professora de William M. McCardell em engenharia química. “Mesmo que haja construções ou orifícios, o tráfego ainda flui da mesma maneira porque o caminho é fixado pela forma do sistema. Aqui está o que é a topologia: as regras que se mantêm mesmo em condições desordenadas ou barulhentas”.
Nesse caso, as “regras” desde que partículas magnéticas rotativas gerassem movimentos ao longo das bordas de qualquer forma que se formasse, que era um cluster ou um vazio. E é exatamente isso que a equipe de microscópio observou.
Curiosamente, o tipo de movimento dependia da forma. Quando as partículas formaram grupos flutuantes, a borda da borda fez todo o cluster girar como uma roda pequena. Mas quando as partículas formaram folhas maiores com vazios, as bordas ainda tinham movimento, mas a estrutura geral não girava.
Tang explicou que esse fenômeno ocorreu porque nos aglomerados as partículas estavam livres para se voltarem como dançarinos em círculo. Mas nos lençóis vazios, o material circundante os manteve no lugar, de modo que o movimento da borda teve que se espalhar para dentro, em vez de girar. Essa diferença também mudou a velocidade com que todo o sistema se reorganizou. Os aglomerados podem mudar de forma e se fundir em alguns minutos, enquanto os lençóis com vazios levaram muito mais tempo.
A capacidade de controlar a maneira como as partículas se movem e se organizam pode parecer uma descoberta de nicho, mas tem grandes implicações. Entenda como direcionar o movimento em sistemas lotados e dinâmicos pode informar o design de materiais reativos, como a entrega direcionada de medicamentos, superfícies adaptativas ou enxames de microbot.
“Estamos aprendendo a controlar o comportamento coletivo usando princípios físicos simples”, disse o autor do co-prima Dana Lobmeyer, recém-formado no Laboratório Biswal. “Este é um passo em direção à criação de materiais capazes de perceber seu ambiente e responder de forma inteligente sem a necessidade de um computador ou instruções”.
Embora os experimentos tenham usado partículas sintéticas, a equipe também vê paralelos em biologia. Muitos aglomerados de células giram durante o desenvolvimento ou a cura, aumentando a possibilidade de que princípios físicos semelhantes estejam trabalhando dentro de organismos vivos.
“Esta é a beleza da ciência”, disse Tang. “Estamos retomando um conceito da matemática fundamental e da física estatística para aplicá -lo aos materiais diários. É um lembrete de que as mesmas regras elegantes podem se apresentar em laboratório ao lado do laboratório”.
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pela Kavli Foundation.
