Le goccioline d'olio possono essere fatte agire come predatori, inseguendo altre goccioline che fuggono come prede. Il comportamento, che è controllato dalla segnalazione chimica prodotta dalle goccioline, imita il comportamento osservato tra gli organismi viventi ma, fino ad ora, non era stato ricreato in sistemi sintetici. Questo sistema chimico sintonizzabile potrebbe potenzialmente servire da modello per aiutare a comprendere le interazioni in sistemi a molti corpi come banchi di pesci, colonie batteriche, o sciami di insetti.

Un team internazionale di ricercatori guidati da scienziati della Penn State descrive il sistema in un documento pubblicato il 16 novembre, 2020 sulla rivista Chimica della natura.

"Controllando la chimica delle goccioline d'olio, possiamo creare un sistema in cui le goccioline si comportano attivamente e comunicano tra loro attraverso gradienti chimici, " ha detto Lauren Zarzar, assistente professore di chimica alla Penn State e capo del gruppo di ricerca. "La cosa eccitante che abbiamo scoperto è che è possibile progettare un sistema di goccioline che mostrano interazioni "non reciproche". Una gocciolina è attratta dall'altra, mentre l'altro è respinto, simile al comportamento di predatore e preda."

I ricercatori mettono goccioline in microscala dei due diversi oli in una soluzione di acqua e un tensioattivo, un composto comunemente presente nei saponi che abbassa la tensione superficiale dei liquidi. Uno degli oli si dissolve più facilmente nella soluzione tensioattiva facendo sì che quelle goccioline emettano un gradiente chimico di molecole di olio nell'ambiente circostante. Le goccioline vengono respinte dall'olio disciolto.

"Inizialmente questa nuvola di olio attorno alle goccioline è fondamentalmente simmetrica e le goccioline non si muovono, " disse Caleb Meredith, uno studente laureato alla Penn State e co-primo autore del documento. "Ma quello che abbiamo scoperto è che le goccioline della preda possono effettivamente assorbire parte dell'olio rilasciato dalle goccioline del predatore, creando uno scambio di olio sorgente-pozzo tra le goccioline. Quando le gocce si avvicinano abbastanza, crea un'asimmetria nel gradiente chimico tra le due goccioline e fa muovere la gocciolina del predatore verso la preda, organizzare un inseguimento".

L'asimmetria del gradiente chimico dell'olio generato dalla sorgente e dal pozzo provoca una differenza nella tensione superficiale attraverso la superficie delle goccioline sia del predatore che della preda. Il gradiente fa sì che la gocciolina del predatore (sorgente) si sposti verso la gocciolina della preda (lavello). Allo stesso modo, per effetto del gradiente chimico emesso dal predatore, la preda viene respinta dal predatore che si avvicina.

"Uno dei risultati sorprendenti è che le due goccioline di olio non devono essere chimicamente molto diverse l'una dall'altra per suscitare questo comportamento, " ha detto Zarzar. "Abbiamo esaminato un'ampia varietà di composizioni chimiche per gli oli e il tensioattivo, che ci ha permesso di stabilire un insieme di regole che governano queste interazioni. Possiamo usare queste regole per regolare la forza delle interazioni controllando le composizioni degli oli delle goccioline o del tensioattivo".

Il gruppo di ricerca ha anche sviluppato un modello, che in base alle misurazioni delle velocità di inseguimento tra singole coppie di goccioline, è stato in grado di simulare accuratamente il movimento di molte goccioline e mostrare come si organizzano in ammassi più grandi che si muovono in una varietà di modi.

"Mi sembrano davvero vivi a volte, " disse Meredith. "Quando più goccioline si uniscono in ammassi possono iniziare a ruotare, fermati e vai, muoversi a spirale, e persino divisi in gruppi più piccoli."

I ricercatori affermano che comprendendo i tipi di regole che governano queste interazioni, il loro sistema potrebbe eventualmente essere utilizzato per modellare sperimentalmente sistemi a molti corpi che vanno dal comportamento di un gran numero di animali alle interazioni che potrebbero aver giocato un ruolo nell'evoluzione dei primi anni di vita.

"Quello che stiamo facendo è davvero basilare, ricerca fondamentale dove la motivazione è capire i processi in atto che possono controllare l'attività di cose inanimate come le goccioline di olio, " disse Zarzar. "Ma, queste idee potrebbero trovare applicazione in altri ambiti, come l'autoassemblaggio, comportamenti di gruppo, e anche nel pensare alle origini della vita sulla Terra dove miscele di semplici componenti chimici dovevano in qualche modo organizzarsi in strutture di non equilibrio. Chiaramente, non stiamo guardando le stesse sostanze chimiche, ma potremmo essere in grado di stabilire parametri o condizioni che, Per esempio, danno luogo a simili tipi di interazioni che si sono verificate."