Si alguna vez ha visto que la bandada de pájaros se mueve hacia una unidad perfecta o ha visto las olas que viajan en un estanque, ha sido testigo de la notable capacidad de integrar el movimiento de la naturaleza. Recientemente, un equipo de científicos e ingenieros de la Universidad de Rice descubrió un evento similar en una escala de microscopio, donde pequeñas partículas magnéticas que operan a través de los campos de roaming se mueven a lo largo de los bordes del desorden que opera los bordes de la orilla. Esta investigación apareció en la revista Investigación de revisión física.
“Cuando vi los datos iniciales, a lo largo de los bordes en comparación con el medio, así como con las corrientes de partículas de movimiento rápido, dije ‘¡Estos son el flujo de borde!’ “Tenemos que explicar la apariencia de la física topológica”, dijo Evelyn Tang, profesora asistente de física y astronomía.
En sus experimentos, el equipo suspendió los colidios supermagnéticos, en agua salada, pequeñas cuentas magnéticas piensan en el grano de arena es aproximadamente cien veces más pequeño. Luego aplicó el campo magnético giratorio, haciendo que las partículas formen cristales en diferentes formas: a veces forman densos grupos circulares, y la segunda vez se extienden a sábanas con agujeros vacíos o “videos”.
Este experimento se volvió particularmente interesante cuando las partículas comenzaron a moverse más rápido que los bordes exteriores de estas formas, lo que creó una especie de cinta transportadora alrededor de la frontera.
“Decimos el flujo de esta ventaja”, dijo Alexandra Nelson, la primera autora del ex becario documental post en el laboratorio Tang. “Básicamente es una corriente que naturalmente construye el límite que ha sido empujado a cualquiera”.
Para entender por qué sucedió esto, los investigadores recurrieron a algo llamado física topológica, que es una forma de describir los sistemas donde la movilidad o el comportamiento están controlados por la forma o secuencia general en lugar de los detalles exactos.
“La topología es como un indicio de la carretera que determina el flujo del tráfico”, dijo Sabani Lisa Baswal, profesora de William M. McCardell en Ingeniería Química. “Incluso si hay construcción o pozos, el tráfico aún fluye porque está determinado por la forma de un sistema. Esto es lo mismo que la topología: las reglas que permanecen en condiciones sucias o ruidosas”.
En este caso, las “reglas” predicen que las partículas magnéticas giratorias crearán movimiento a lo largo de los bordes de cualquier forma que hagan, ya sea un clúster o falso. Y el equipo fue testigo de esto bajo el microscopio.
Curiosamente, el tipo de movimiento depende del formato. Cuando las partículas formaron un clúster flotante libre, todo el grupo gira como una rueda pequeña debido al flujo del borde. Pero cuando las partículas hacen una hoja grande con los videos, todavía había movimiento en los bordes, pero la estructura general no giró.
Tang explicó que esta tendencia ha sucedido porque en los grupos, las partículas eran libres de unirse como bailarines en el círculo. Pero en las sábanas de los vacíos, el material a su alrededor los mantuvo en su lugar, por lo que en lugar de girar el movimiento del borde, tuvo que extender el interior. La diferencia también cambió la rapidez con que se reestructuró todo el sistema. Los grupos pueden cambiar la forma y la integración en cuestión de minutos, mientras que las sábanas con los Vedes tardan mucho tiempo.
Cómo se mueven las partículas y la capacidad de controlarse puede parecer un descubrimiento de nicho, pero tiene una amplia gama de implicaciones. Comprendiendo la forma en que se mueve directamente en la multitud, los sistemas dinámicos pueden informar el diseño de materiales responsables, como el suministro de medicamentos específicos, las superficies adaptativas o las multitudes de microbotas.
“Estamos aprendiendo cómo controlar el comportamiento colectivo utilizando principios físicos simples”, dijo Dana Lubmeier, autora del primer graduado del Laboratorio Baswal. “Este es un paso hacia la creación de contenido que puede comprender su entorno y responder de manera inteligente sin la necesidad de una computadora o instrucciones”.
Aunque los experimentos usaron partículas artificiales, el equipo también ve paralelo en biología. Muchos grupos de células deambulan durante el desarrollo o la curación, lo que aumenta la posibilidad de que los principios físicos similares funcionen dentro de los organismos vivos.
“Esta es la belleza de la ciencia”, dijo Tang. “Estamos tomando un concepto de las matemáticas básicas y la física estadística para aplicarlo al contenido cotidiano. Es un recordatorio de que la puerta de al lado puede mostrar las mismas reglas hermosas en el laboratorio”.
La investigación fue respaldada por la National Science Foundation y la Fundación Kauli.
