Um novo estudo publicado na Physical Review Letters descreve uma forma de aumentar a capacidade de carga de microscópicos, gotas de auto-propulsão conhecido como “microswimmers.” Os investigadores da Universidade da Pensilvânia e do Instituto Max-Planck de Dinâmica e auto-organização descobriram que, quando uma escola de microswimmers se mover na mesma direcção dentro de um canal estreito, que podem aumentar o número de partículas que pode levar por 10 vezes. Seus resultados têm implicações para aplicações que vão desde sistemas de entrega de drogas a materiais com revestimentos activos.
Como muitos esforços científicos, este começou com uma simples observação. Enquanto participava de um jantar conferência no Georgia Aquarium, físico Arnold Mathijssen e seus colegas notaram que grandes cardumes de peixes natação parecia estar carregando pequenas partículas e detritos em seu rastro. Isto acontece por causa do arrastamento hidrodinâmico, um processo onde, como um objecto se desloca através do líquido, que gera um fluxo e faz com que nas proximidades objetos a ser arrastado juntamente com ele.
“Nós estávamos pensando, como o peixe no aquário estão nadando em frente, faz uma partícula também ser arrastado para a frente, ou é empurrado para trás por suas caudas?” diz Mathijssen. “Nossa questão central era se esses caras avançar as coisas ou não, e a hipótese era de que, se podemos ver isso acontecendo no aquário, talvez esta seja aplicável sob um microscópio tão bem.”
Para responder à pergunta, pesquisadores Max Planck Institute Chenyu Jin, Yibo Chen, e Corinna Maass correu experimentos usando microswimmers sintéticos, gotículas de óleo e surfactante que são um sistema modelo para robôs microscópicos automotor. Usando as suas microswimmers, os investigadores foram capazes de medir a força do fluxo gerado por um nadador indivíduo e a quantidade de material que uma pessoa pode transportar com eles à medida que viajou através de um canal bidimensional. Então, uma vez que os dados foram coletados, Mathijssen e seu grupo desenvolveram um modelo teórico para ajudar a explicar as suas conclusões.
Um desafio particular para o desenvolvimento do modelo foi conceber uma maneira de descrever os efeitos das paredes do canal microscópico porque, ao contrário do aquário, esta experiência foi conduzida em um espaço confinado. “Isso confinamento realmente afeta os fluxos e, como resultado, afeta o volume total de coisas que você pode transportar. Há um pouco de literatura em termos de modelagem de partículas activas, mas é difícil obtê-lo direito em ambientes complexos,” Mathijssen diz.
Utilizando os seus dados e modelo recentemente desenvolvido, os investigadores descobriram que a capacidade de transporte de um microswimmer indivíduo poderia ser aumentada em 10 vezes quando nadei juntos dentro de um canal estreito. Também descobriram que a velocidade de arrastamento, ou a velocidade com que as partículas se movem para a frente, era muito maior do que inicialmente previsto.
Em comparação com um sistema mais aberto, assim como o aquário, que tem um canal confinado parece aumentar a circulação de partículas, diz Mathijssen. “Se você está em um mundo tridimensional, a energia que você injetar em seu sistema se espalhou em todas as direções. Aqui, onde fica focado em um avião bidimensional, a força do fluxo é maior. É quase como se você tem uma vigília na frente e nas costas, por isso o efeito é duas vezes mais forte, de forma eficaz “, diz ele.
Outra descoberta surpreendente foi o quão poderoso este efeito poderia ser mesmo a longas distâncias em um sistema como este com um baixo número de Reynolds, um valor usado pelos cientistas para prever os padrões de fluxo de líquido. Sistemas com baixos números de Reynolds tem alisar, de fluxo laminar (como uma queda de água), e aqueles com valores elevados são mais turbulento.
“Aqui, as diferenças entre a baixa e altos números de Reynolds é que, em baixos números de Reynolds, esses fluxos tendem a ser muito longo alcance. Mesmo se você é 10 comprimentos corporais de distância, estes fluxos ainda são significativas. Na números de Reynolds mais elevados, que não é necessariamente verdade, porque você começa um monte de turbulência, e que perturba este efeito de arrastamento “, diz Mathijssen.
Os investigadores pensam que isto pode ser devido à simetria frontal e traseira que ocorre em um sistema fechado. “Pelo baixos números de Reynolds, você tem uma pressão na frente da gota, e que a pressão está empurrando os atacantes líquidos para uma grande distância”, diz Mathijssen.
Experimentos futuros olhar como este efeito se desenrola em sistemas que têm números de Reynolds mais elevados. Pensa-se que os peixes dependem de um fenômeno semelhante quando nadam perto uns atrás dos outros em grandes escolas, semelhante aos ciclistas que esboça fora de um outro em um pelotão, de modo que os investigadores pensam que um efeito semelhante pode estar acontecendo em outros sistemas também.
E porque a física subjacente descrita neste estudo também se aplica a muitos outros, essas descobertas também têm implicações para vários outros campos, desde projetar sistemas de entrega de drogas, entendendo como os biofilmes transportam nutrientes, e projetando materiais ativos, aqueles que têm revestimentos ou propriedades que os imbuem com características dinâmicas.
“A imagem grandiosa em termos de física é ver como os componentes ativos individuais podem trabalhar juntos, a fim de dar origem a uma funcionalidade compartilhada, o que chamamos de fenômenos emergentes, em escala macroscópica”, diz Mathijssen. “E lá, não há livro de regras, não há leis de física a partir de ainda que descrevem esses sistemas que estão fora de equilíbrio, então há questões de física teóricas fundamentais que permanecem a ser respondidas.”
Publicado em 21/08/2021 17h44
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