Partículas autopropulsadas

La mayoría de los animales pueden considerarse SPP: obtienen energía de su alimento y exhiben diversas estrategias de locomoción, desde volar hasta arrastrarse. Los ejemplos más destacados de comportamientos colectivos en estos sistemas son los cardúmenes de peces, las bandadas de aves, los rebaños de ovejas y las multitudes humanas. A menor escala, las células y las bacterias también pueden tratarse como SPP. Estos sistemas biológicos pueden autopropulsarse en función de la presencia de quimioatrayentes. A una escala aún menor, los motores moleculares transforman la energía del ATP en movimiento direccional. Trabajos recientes han demostrado que las moléculas de enzimas también se autopropulsan. ^{[ 7 ]} Además, se ha demostrado que se mueven preferentemente hacia una región de mayor concentración de sustrato, ^{[ 8 ] [ 9 ]} un fenómeno que se ha desarrollado en una técnica de purificación para aislar enzimas vivas. ^{[ 10 ]} Adicionalmente, las micropartículas, vesículas e incluso láminas a macroescala pueden autopropulsarse cuando se funcionalizan con enzimas. ^{[ 11 ]} Las reacciones catalíticas de las enzimas dirigen las partículas o vesículas en función de los gradientes de sustrato correspondientes. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

Existe una distinción entre sistemas húmedos y secos. En el primer caso, las partículas "nadan" en un fluido circundante; en el segundo caso, las partículas "caminan" sobre un sustrato.

Las partículas coloidales activas, denominadas nanomotores , son el ejemplo prototípico de SPP húmedas. Las partículas de Janus son partículas coloidales con dos caras diferentes, que poseen propiedades físicas o químicas distintas. ^{[ 15 ]} Esta ruptura de simetría permite, mediante el ajuste adecuado del entorno (típicamente la solución circundante), el movimiento de la partícula de Janus. Por ejemplo, las dos caras de la partícula de Janus pueden inducir un gradiente local de temperatura, campo eléctrico o concentración de especies químicas. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Esto induce el movimiento de la partícula de Janus a lo largo del gradiente a través de, respectivamente, termoforesis , electroforesis o difusioforesis . ^{[ 17 ]} Debido a que las partículas de Janus consumen energía de su entorno (catálisis de reacciones químicas, absorción de luz, etc.), el movimiento resultante constituye un proceso irreversible y las partículas están fuera de equilibrio.

• El primer ejemplo de un SPP artificial a escala nanométrica o micrométrica fue una nanobarra bimetálica de oro y platino desarrollada por Sen y Mallouk. ^{[ 18 ]} En una solución de peróxido de hidrógeno, este "nanomotor" exhibiría una reacción catalítica de oxidación-reducción, induciendo así un flujo de fluido a lo largo de la superficie mediante autodifusioforesis. Un sistema similar utilizó una varilla de cobre-platino en una solución de bromo. ^{[ 19 ]} Un estudio reciente demostró el control de las posiciones y orientaciones de estas nanobarras activas bajo boquillas microfluídicas confinadas mediante ultrasonido. ^{[ 20 ]}
• Otro SPP Janus se desarrolló recubriendo la mitad de una microesfera de poliestireno con platino. ^{[ 2 ]} Estos se utilizaron para dirigir el movimiento de motores catalíticos cuando estaban cerca de una superficie sólida. Estos sistemas pudieron mover los coloides activos utilizando restricciones geométricas. ^{[ 21 ]} También se descubrió que los micromotores Janus basados ​​en estructuras metalorgánicas (MOF) pueden funcionar como coloides activos impulsados ​​por luz, capaces de propulsión autónoma y que permiten la detección Raman mejorada en superficie en tiempo real en entornos químicamente complejos. ^{[ 22 ]}
• Otro ejemplo de un SPP Janus es un motor organometálico que utiliza una microesfera de oro-sílice. ^{[ 23 ]} El catalizador de Grubb se unió a la mitad de sílice de la partícula y, en solución de monómero, impulsaría una polimerización catalítica. El gradiente de concentración resultante a través de la superficie propulsaría el motor en solución.
• Otro ejemplo de SPP artificial son las micropartículas giratorias de platino que tienen rotaciones controlables basadas en su forma y simetría. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Al utilizar campos magnéticos multidireccionales, las trayectorias de estas partículas también pueden dirigirse hacia patrones específicos. ^{[ 26 ]}
• Otro ejemplo son las gotas de aceite de Janus bifásicas que muestran movimiento autopropulsado. ^{[ 27 ]}
• En la página específica sobre nanomotores se describen otros ejemplos .

Los granos caminantes son una realización típica de SPP seco: los granos son discos milimétricos que descansan sobre una placa que vibra verticalmente, la cual sirve como fuente de energía e impulso. Los discos tienen dos puntos de contacto diferentes ("pies") con la placa: un pie duro en forma de aguja en la parte delantera y un pie grande de goma blanda en la parte trasera. Al ser agitados, los discos se mueven en una dirección preferencial definida por la simetría polar (cabeza-cola) de los contactos. Esto, junto con el ruido vibracional, da como resultado un paseo aleatorio persistente. ^{[ 28 ]}

Las ninfas jóvenes de langosta del desierto son solitarias y no tienen alas . Si escasea el alimento, pueden agruparse y comenzar a ocupar áreas vecinas, reclutando más langostas. Con el tiempo, pueden formar un ejército que se extiende a lo largo de muchos kilómetros. ^{[ 48 ]} Esto puede ser el preludio del desarrollo de los vastos enjambres de langostas adultas voladoras que devastan la vegetación a escala continental. ^{[ 49 ]}

Una de las predicciones clave del modelo SPP es que, a medida que aumenta la densidad poblacional de un grupo, se produce una transición abrupta: de individuos que se mueven de forma relativamente desordenada e independiente dentro del grupo, el grupo se mueve como un todo altamente coordinado. ^{[ 50 ]} Por lo tanto, en el caso de las langostas del desierto jóvenes, debería producirse un punto de inflexión que convierta a las langostas desorganizadas y dispersas en un ejército coordinado en marcha. Cuando se alcanza la densidad poblacional crítica, los insectos deberían empezar a marchar juntos de forma estable y en la misma dirección.

En 2006, un grupo de investigadores examinó la validez de este modelo en el laboratorio. Se colocaron langostas en una arena circular y se monitorizaron sus movimientos con un programa informático. A bajas densidades, por debajo de 18 langostas por metro cuadrado, las langostas se movían de forma desordenada. A densidades intermedias, comenzaron a alinearse y a marchar juntas, con cambios de dirección abruptos pero coordinados. Sin embargo, cuando las densidades alcanzaron un valor crítico de aproximadamente 74 langostas/m² ^, las langostas dejaron de realizar cambios de dirección rápidos y espontáneos, y en su lugar marcharon de forma constante en la misma dirección durante las ocho horas que duró el experimento.

Esto confirmó el comportamiento predicho por los modelos SPP. ^{[ 1 ]}

En el campo, según la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura , la densidad promedio de bandas de marcha es de 50 langostas/m² ⁽ 50 millones de langostas/km² ⁾ , con un rango típico de 20 a 120 langostas/m² ^. [ ^{49 ] : 29 Los} hallazgos de investigación discutidos anteriormente demuestran la inestabilidad dinámica que está presente en las densidades más bajas de langostas típicas en el campo, donde los grupos de marcha cambian de dirección aleatoriamente sin ninguna perturbación externa. Comprender este fenómeno, junto con el cambio a una marcha totalmente coordinada en densidades más altas, es esencial si se quiere controlar el enjambre de langostas del desierto. ^{[ 1 ]}

A menudo se observa que los animales que forman enjambres, como hormigas, abejas, peces y aves, cambian repentinamente de un estado a otro. Por ejemplo, las aves pasan abruptamente del estado de vuelo al de aterrizaje, o los peces cambian de formar cardúmenes en una dirección a hacerlo en otra. Estos cambios de estado pueden ocurrir con una velocidad y sincronía asombrosas, como si todos los miembros del grupo tomaran una decisión unánime al mismo tiempo. Fenómenos como estos han desconcertado a los investigadores durante mucho tiempo. ^{[ 52 ]}

En 2010, Bhattacharya y Vicsek utilizaron un modelo SPP para analizar lo que sucede aquí. Como paradigma, consideraron cómo las aves en vuelo llegan a una decisión colectiva para realizar un cambio repentino y sincronizado para aterrizar. Las aves, como los estorninos en la imagen de la derecha, no tienen un líder en la toma de decisiones, pero la bandada sabe exactamente cómo aterrizar de manera unificada. La necesidad del grupo de aterrizar prevalece sobre las intenciones divergentes de las aves individuales. El modelo de partículas encontró que el cambio colectivo para aterrizar depende de perturbaciones que afectan a las aves individuales, como su posición dentro de la bandada. ^{[ 51 ]} Es un comportamiento que puede compararse con la forma en que la arena se acumula, antes del punto en el que los granos simétricos y cuidadosamente colocados se avalancharían, porque las fluctuaciones se vuelven cada vez más no lineales. ^{[ 53 ]}

"Nuestra principal motivación fue comprender mejor algo desconcertante y ajeno a la naturaleza, especialmente en casos que implican la interrupción o el inicio de un patrón de comportamiento colectivo en un grupo de personas o animales... Proponemos un modelo simple para un sistema cuyos miembros tienen la tendencia a seguir a los demás tanto en el espacio como en su estado mental con respecto a la decisión de detener una actividad. Este es un modelo muy general, que puede aplicarse a situaciones similares." ^{[ 51 ]} El modelo también podría aplicarse a un enjambre de drones no tripulados , para iniciar el movimiento deseado en una multitud de personas, o para interpretar patrones grupales cuando se compran o venden acciones en el mercado de valores. ^{[ 54 ]}

Los modelos SPP se han aplicado en muchas otras áreas, como cardúmenes de peces , ^{[ 55 ]} enjambres robóticos , ^{[ 56 ]} motores moleculares , ^{[ 57 ]} el desarrollo de estampidas humanas ^{[ 58 ]} y la evolución de senderos humanos en espacios verdes urbanos. ^{[ 59 ]} Los SPP en flujo de Stokes , como las partículas de Janus , a menudo se modelan mediante el modelo de squirmer . ^{[ 60 ]}