29.09.2020 - Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation

Materia blanda sobre nuevas formas de auto-organización

El surco de la cinta nemática activa autoorganizada

Los materiales nemáticos, como los cristales líquidos de nuestras exhibiciones, contienen moléculas que se alinean en paralelo. Cuando se construyen a partir de microtúbulos y quinesinas, materiales que se encuentran en nuestras células, se activan y se mueven y deforman sin el suministro de energía del exterior. En un nuevo artículo publicado en Nano Letters, los investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización de Göttingen informan de la creación de una nemática activa en 3D. El material pasa a través de varios patrones espaciales, desde el colapso en una cinta hasta el arrugamiento en 3D.

Los materiales nemáticos están hechos de moléculas similares a varillas y combinan algunas características de los líquidos con otras que se asemejan a los cristales sólidos. Fluyen como un líquido y sus componentes están desordenados en el espacio, pero son capaces de auto orientarse de tal manera que las moléculas vecinas se alinean en paralelo. Imagine que lanza un montón de crayones en una caja y la agita. Después de un rato los crayones se posicionarán paralelos entre sí y mostrarán lo que llamamos un orden nemático. Los cristales líquidos nemáticos se utilizan ampliamente en las pantallas de nuestros ordenadores portátiles, teléfonos inteligentes y otros numerosos dispositivos, donde las moléculas ordenadas nemáticamente y se reorientan aplicando un campo eléctrico, convirtiendo así un píxel en brillante u oscuro. Hace aproximadamente una década, se descubrió la nemática activa. Se llaman activas porque el material no necesita una fuente de energía externa para reorientarse, sino que lleva su fuente de energía interna y es capaz de usarla para impulsar el movimiento desde el interior. Los materiales que forman una nemática activa provienen de células biológicas. En la célula, los microtúbulos y los motores de quinesina son componentes esenciales del citoesqueleto, una red suelta que rodea el núcleo y le da a la célula tanto rigidez mecánica como pistas para transportar materiales. Las quinesinas convierten la energía química, obtenida de la hidrólisis de la adenosina trifosfato (ATP), en trabajo mecánico mientras "caminan" a lo largo de los microtúbulos para transportar moléculas vitales dentro de la célula, contribuyendo a la organización y división celular. Fuera de la célula, los microtúbulos y las proteínas motoras pueden asumir un comportamiento diferente: mientras que los microtúbulos se alinean nemáticamente, las quinesinas alimentadas por ATP los someten a estrés. Una nueva clase de materiales blandos nació, la nemática activa. Representan un fascinante sistema modelo que nos ayuda a comprender los procesos de auto-organización en la célula y proporciona una estructura ideal para probar y avanzar en las teorías de la materia activa. En el pasado, la nemática activa se estudiaba en capas bidimensionales, por ejemplo entre el agua y una gota de aceite. Con suficiente actividad, las proteínas motoras son capaces de destruir el orden de los microtúbulos alineados, dando lugar a la formación de patrones espontáneos y a un estado llamado turbulencia activa, un estado caótico perpetuamente agitado.

En el último número de Nano Letters, Isabella Guido y sus colegas del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización informan de cómo superaron la limitación del confinamiento y produjeron una nemática activa tridimensional. "Dejar la familiar geometría plana bidimensional no fue fácil. Inevitablemente se diluye el sistema, y luego hay que encontrar el entorno químico adecuado que le permita producir las fuerzas activas que se desea", dice Isabella Guido, que dirige el equipo de investigación experimental del Departamento de Física de Fluidos, Formación de Patrones y Biocomplejidad, y añade "Es la secuencia de eventos, en la que un material a granel discreto colapsó repentinamente en una lámina plana, pero luego comenzó a producir patrones tridimensionales que nunca antes habíamos visto, lo que nos sorprendió". De hecho, el sistema sigue evolucionando en el tiempo y el espacio en lugar de permanecer tridimensional, es decir, llenando el volumen de la cámara experimental, inicialmente colapsa en una lámina plana. En la cinta, los motores moleculares causan una tensión extensible, que conduce a una inestabilidad de las arrugas. Después de esto, las arrugas crecen hasta que la cinta doblada explota llenando de nuevo todo el volumen con filamentos turbulentos que espontáneamente forman bucles crecientes, desintegrándose constantemente y formándose en otro lugar. "Estas observaciones constituyen una notable manifestación de cómo la actividad de desequilibrio combinada con la elaborada dinámica de los sistemas de materia blanda puede conducir a nuevas vías de autoorganización" explicó Ramin Golestanian, director del Departamento de Física de la Materia Viva. Los colaboradores teóricos proporcionaron una explicación teórica del comportamiento observado y llevaron a cabo simulaciones por computadora de cómo el sistema pasa por las etapas descritas. Andrej Vilfan dice: "En el experimento vemos los microtúbulos, pero la naturaleza de las fuerzas entre ellos es difícil de entender. La combinación de los experimentos con las simulaciones por ordenador nos dio un nuevo nivel de comprensión. De hecho, mostramos que la mayoría de los motores trabajan en contra de los demás y es sólo un pequeño desequilibrio entre los que tiran en direcciones opuestas lo que causa todos los fenómenos que vemos".

Los resultados aportarán nuevos conocimientos sobre la organización y la generación de fuerzas en las células biológicas. "Nuestra meta es crear análogos de los sistemas naturales a través de un enfoque de abajo hacia arriba usando bloques de construcción sintéticos y biológicos. Si finalmente podemos descubrir cómo controlar el movimiento en tales sistemas activos hechos por el hombre, tenemos el potencial de desarrollar dispositivos biomiméticos que pueden ser usados como actuadores en futuras aplicaciones biotecnológicas". Dice Eberhard Bodenschatz, director del Departamento de Física de Fluidos, Formación de Patrones y Biocomplejidad. "Estamos empezando a alejarnos de la simple cámara experimental de flujo y comenzamos a dar forma al nuevo material en formas donde se pueden observar fenómenos completamente nuevos. Desenvolveremos nuestra cinta activa y seguro que encontraremos una caja llena de sorprendentes descubrimientos que asombrarán nuestra curiosidad", concluye Isabella Guido.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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