La investigación de sistemas formados por partículas autopropulsadas, las llamadas partículas activas, es un campo de investigación en rápido crecimiento. En los modelos teóricos de partículas activas, a menudo se supone que la velocidad de nado de las partículas es siempre la misma. Sin embargo, esto no ocurre con las partículas producidas en muchos experimentos, por ejemplo las impulsadas por ultrasonidos para aplicaciones médicas. En estos casos, la velocidad de propulsión depende de la orientación.

Cómo afecta esta dependencia al comportamiento de sistemas formados por muchas partículas (en particular, cómo afecta a la formación de cúmulos) es algo que un equipo de físicos dirigido por el profesor Raphael Wittkowski de la Universidad de Münster (Alemania) ha descubierto por primera vez. para demostrarlo en un proyecto de colaboración con el Prof. Michael Cates de la Universidad de Cambridge (Reino Unido/Inglaterra).

Utilizando una combinación de simulaciones por computadora y derivaciones teóricas, estudiaron el comportamiento de sistemas formados por muchas partículas activas cuya velocidad depende de la orientación, y en el proceso descubrieron una serie de nuevos efectos. Los resultados del estudio han sido publicados en la revista Physical Review Letters.

Lo interesante desde el punto de vista de la física es que los sistemas formados por muchas partículas activas pueden formar agrupaciones espontáneamente, incluso cuando las partículas individuales no se atraen entre sí en absoluto. Al medir el movimiento de las partículas en las simulaciones, los investigadores llegaron a un resultado especialmente sorprendente.

“Normalmente, en promedio estadístico, las partículas de estos grupos simplemente permanecen donde están”, explica el autor principal, el Dr. Stephan Bröker, del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Münster. “Por eso esperábamos que esto también ocurriera aquí”. Pero en realidad los físicos descubrieron algo más: las partículas salen constantemente del cúmulo por un lado y regresan por el otro, generando así un flujo permanente de partículas.

Hay además otra diferencia con el caso “normal”: los cúmulos que se forman en sistemas de partículas activas son normalmente circulares. Sin embargo, en las partículas examinadas, la forma del cúmulo depende de cuán fuertemente influye la orientación de las partículas en su velocidad de propulsión, lo cual puede ser estipulado por el experimentador.

“Al menos en teoría, podemos hacer que las partículas se ordenen en cualquier forma que queramos”, explica el coautor principal, el Dr. Jens Bickmann. “Podemos pintar con ellos, por así decirlo”. En las simulaciones los investigadores observaron elipses, triángulos y cuadrados. “Esto confiere a los resultados una importancia práctica”, afirma el Dr. Michael te Vrugt, del equipo de Wittkowski y coautor del estudio.

“Para aplicaciones técnicas, por ejemplo, para la realización de materia programable, tiene que ser posible controlar la forma en que las partículas se autoensamblan, y con nuestro enfoque eso es realmente posible”.

Fuente: phys.org