I ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare pinzette simili a pinzette ottiche - laser altamente focalizzati che possono essere utilizzati per spostare atomi e altri materiali microscopici e submicroscopici - per manipolare i difetti topologici dei fluidi e controllare il modo in cui questi fluidi attivi scorrono. Lo studio, condotto dal fisico dell'UM Suraj Shankar, è pubblicato negli Proceedings of the National Academy of Sciences .

Puoi pensare a un fluido attivo come uno stormo di uccelli, dice Shankar. In un mormorio, un'enorme nuvola di storni, gli uccelli si torceranno e si gireranno all'unisono, creando forme della nuvola. Ma mentre il mormorio sembra muoversi come un unico organismo, il movimento è fatto da singoli uccelli alimentati dalle loro ali individuali.

Allo stesso modo, i fluidi attivi sono composti da singoli componenti come i batteri nell'acqua o gli atomi in un cristallo, ma ciascuna unità si muove da sola se illuminata dalla luce o se riceve "cibo" tramite una reazione chimica, secondo Shankar. I ricercatori hanno precedentemente progettato i batteri in modo che quando illuminano i batteri con la luce, alcuni batteri nel liquido nuotano più velocemente e altri nuotano più lentamente.

"E puoi cambiare questo schema come vuoi. Cambiando la velocità con cui i batteri nuotano localmente, puoi dipingere i volti di personaggi famosi, o cambiarlo e creare un paesaggio", ha detto Shankar, assistente professore di fisica alla UM.

"Dato che queste piattaforme sperimentali esistono e che ora siamo in grado di manipolare questi materiali controllando la velocità con cui le cose si muovono, ci siamo chiesti:possiamo sviluppare una struttura in cui possiamo controllare le velocità locali delle cose che comprendono fluidi attivi?" in modo da poterli controllare in modo sistematico?"

Il gruppo di ricerca comprende anche i coautori Cristina Marchetti e Mark Bowick dell'Università della California Santa Barbara e Luca Scharrer, che ha condotto gran parte della ricerca come studente universitario presso l'UCSB.

Il team si è concentrato su un popolare fluido attivo chiamato fluido nematico, composto da cristalli liquidi, lo stesso tipo di cristalli liquidi che compongono i display di smartphone, tablet e computer. Questi cristalli liquidi sono fluidi composti da lunghe molecole che possono allinearsi e diventare ordinate come i fiammiferi in una scatola di fiammiferi o come i tronchi di legno che si accatastano e scorrono lungo un fiume, dice Shankar.

Ma quando guidati da reazioni chimiche, questi fluidi nematici diventano attivi e hanno la capacità di pompare fluido, il che consente loro di muoversi senza forze applicate esternamente o gradienti di pressione.

Shankar e colleghi hanno utilizzato questa caratteristica e applicato i principi di simmetria, geometria e topologia della matematica per sviluppare principi di progettazione che consentiranno ai ricercatori di controllare la traiettoria dei singoli cristalli all'interno dei fluidi nematici.

I loro metodi si basano sulle differenze nel modo in cui questi oggetti a forma di bastoncino si allineano all’interno del liquido. Potrebbero essere disallineati in alcuni punti, il che fa sì che i cristalli liquidi si pieghino attorno al punto di disallineamento, come un vortice in un fiume.

Questo crea diversi modelli nel fluido, simili alle creste delle impronte digitali, dice Shankar. Nei cristalli liquidi, ci sono punti in cui la linea di cristalli si piega e assomiglia a una cometa, o forma un simbolo che assomiglia al logo Mercedes.

Se aggiungi energia al sistema e rendi attivo il fluido, questi modelli, chiamati difetti topologici, prendono vita.

"Questi modelli iniziano a muoversi e guidano e agitano il fluido, quasi come se fossero particelle reali", ha detto Shankar. "Controllare questi modelli individuali associati ai difetti sembra un lavoro più semplice che controllare ogni componente microscopico in un fluido."

Il progetto è iniziato quando Scharrer ha sviluppato simulazioni per modellare il flusso di fluido attivo e tracciare le posizioni dei difetti topologici, tentando di testare un'ipotesi posta da Shankar e Marchetti. Mostrando i risultati della simulazione agli altri ricercatori, Scharrer e il team hanno scoperto come queste risposte complesse potessero essere spiegate matematicamente e convertite in principi di progettazione per il controllo dei difetti.

Nello studio, Scharrer ha creato modi per creare, spostare e intrecciare modelli topologici utilizzando quelle che chiamano pinzette topologiche attive. Queste pinzette possono trasportare o manipolare questi difetti lungo traiettorie spazio-temporali come se fossero particelle, controllando la struttura e l'estensione delle regioni in cui l'attività chimica guida il pompaggio dei fluidi. Il conseguente movimento del fluido attivo attorno ai vortici dei difetti topologici ne consente il movimento infinito.

"Penso che questo lavoro sia un bellissimo esempio di come la ricerca guidata dalla curiosità, rispetto al lavoro orientato ai problemi o al profitto, può condurci in direzioni tecnologiche completamente inaspettate", ha affermato Scharrer, ora dottorando presso l'Università di Chicago.

"Abbiamo iniziato questo progetto perché eravamo interessati alla fisica fondamentale dei difetti topologici e ci siamo imbattuti accidentalmente in un nuovo modo di controllare i fluidi biologici attivi e bio-ispirati. Se avessimo avuto questo obiettivo finale in mente fin dall'inizio, chi lo sa se avessimo trovato qualcosa."

I ricercatori dimostrano anche come semplici schemi di attività possano controllare grandi raccolte di difetti vorticosi che guidano continuamente flussi di miscelazione turbolenti.

Shankar dice che anche se il campo è nuovo e il loro metodo è ormai collaudato utilizzando modelli computazionali, un giorno le persone potrebbero utilizzare questo concetto nella creazione di micro sistemi di test per scopi diagnostici o per creare minuscole camere di reazione. Un'altra potenziale applicazione potrebbe essere nel campo della robotica morbida o dei sistemi morbidi, in cui le capacità di calcolo potrebbero essere distribuite su materiali morbidi e flessibili.

"Si tratta di tipi insoliti di fluidi che hanno proprietà molto interessanti e pongono domande molto interessanti in fisica e ingegneria a cui speriamo di poter incoraggiare gli altri a riflettere", ha affermato Shankar.

"Data la struttura del sistema che dimostriamo, si spera che altri possano prendere idee simili e applicarle al loro modello e sistema preferito, e si spera che facciano altre scoperte altrettanto entusiasmanti."