Un team internazionale guidato dal professor Yilin Wu, Il Professore Associato del Dipartimento di Fisica dell'Università Cinese di Hong Kong (CUHK) ha compiuto un nuovo progresso concettuale nel campo della scienza della materia attiva. Il team ha scoperto un nuovo percorso in cui l'auto-organizzazione dei fluidi attivi nello spazio e nel tempo può essere controllata da una singola proprietà del materiale chiamata viscoelasticità. Questa nuova scoperta potrebbe aprire la strada alla fabbricazione di una nuova classe di dispositivi e materiali autoguidati, come la capacità di controllare il movimento ritmico di robot morbidi senza fare affidamento su circuiti elettronici, e per lo studio della fisiologia microbica. È stato pubblicato sulla rivista scientifica Natura .

Un campo in rapida crescita e interdisciplinare, i sistemi di studi di scienze della materia attiva sono costituiti da unità in cui l'energia viene spesa localmente per generare lavoro meccanico. La materia attiva comprende tutti gli organismi viventi dalle cellule agli animali, biopolimeri azionati da motori molecolari, e materiali sintetici semoventi. I principi dell'auto-organizzazione (il processo di produzione di strutture ordinate attraverso l'interazione tra singole unità) appresi da questi sistemi possono trovare applicazioni nell'ingegneria dei tessuti e nella fabbricazione di nuovi dispositivi o materiali di ispirazione biologica.

Lo studio è stato ideato dal professor Wu e dal suo ex dottorato di ricerca. la studentessa Song Liu (attualmente borsista post-dottorato presso l'Institute for Basic Science in Corea). Hanno un interesse a lungo termine nella comprensione dei fenomeni fisici di auto-organizzazione nella materia attiva biologica, con particolare attenzione ai fluidi attivi costituiti da microrganismi mobili. In un precedente documento in collaborazione con fisici d'oltremare pubblicato in Natura nel 2017, hanno riportato un debole meccanismo di sincronizzazione per l'oscillazione collettiva biologica, in cui un robusto ordine temporale emerge da un gran numero di traiettorie irregolari ma debolmente accoppiate di singole cellule in sospensioni batteriche. Però, il controllo simultaneo dell'ordine spaziale e temporale è più impegnativo.

Nel nuovo studio, il team di ricerca CUHK ha trovato indizi sulla viscoelasticità, una proprietà comune di fluidi complessi che hanno risposte sia di tipo fluido che di tipo solido sotto deformazione. Durante la manipolazione della viscoelasticità di un fluido batterico attivo con polimeri di DNA, il team ha riscontrato fenomeni spettacolari. Il fluido batterico attivo dapprima si auto-organizza nello spazio in un vortice rotante su scala millimetrica, quindi mostra l'organizzazione temporale mentre il vortice gigante cambia periodicamente la sua chiralità globale con frequenza sintonizzabile, come un pendolo torsionale autoguidato. Il team credeva che questi fenomeni sorprendenti potessero derivare dall'interazione tra la forzatura attiva e il rilassamento dello stress viscoelastico. Il rilassamento viscoelastico si verifica su una scala temporale corrispondente alla transizione da risposte di tipo solido a risposte di tipo fluido quando un fluido complesso viene deformato.

Per comprendere meglio i fenomeni osservati, i ricercatori del CUHK hanno collaborato con i fisici teorici Cristina Marchetti, Professore dell'Università della California, Santa Barbara e il suo precedente dottorato di ricerca. studente Suraj Shankar, ora Junior Fellow dell'Università di Harvard. I due teorici hanno sviluppato un modello di materia attiva che accoppia l'attività batterica, sollecitazione elastica del polimero, ei campi di velocità e polarizzazione batterica. L'analisi e le simulazioni al computer del modello riproducono tutti i principali risultati sperimentali, e spiegare anche l'inizio dell'ordine spaziale e temporale in termini di competizione tra le scale temporali del rilassamento viscoelastico e del forzante attivo.

Queste nuove scoperte dimostrano sperimentalmente per la prima volta che la viscoelasticità dei materiali può essere sfruttata per controllare l'auto-organizzazione della materia attiva. Alimenterà lo sviluppo della fisica del non equilibrio e potrebbe aprire la strada alla fabbricazione di una nuova classe di dispositivi e materiali adattivi autoguidati. Ad esempio, quando accoppiato a sistemi di attuazione di robot morbidi, il vortice sintonizzabile su scala millimetrica e auto-oscillante può essere utilizzato come un "generatore di clock" che fornisce segnali di temporizzazione per il pompaggio microfluidico programmato e per il controllo del movimento ritmico di robot morbidi, senza fare affidamento su circuiti elettronici. Inoltre, i batteri nei biofilm e nei tratti gastrointestinali degli animali spesso nuotano in fluidi viscoelastici abbondanti nei polimeri a catena lunga. Le nuove scoperte suggeriscono anche che la viscoelasticità dell'ambiente può modificare i modelli di movimento collettivo dei batteri, influenzando così la dispersione dei biofilm e la traslocazione del microbioma intestinale.