Cuando pensamos en materiales, solemos pensar en sustancias como el metal, el hormigón, el vidrio o el caucho. Lo que estos ejemplos tienen en común es que son inactivos: al ser empujados, estirados, desplazados o sometidos a cizallamiento, pueden moverse o deformarse, pero sólo mediante la energía que reciben del exterior a través de las fuerzas que se les aplican.
Existe otra clase de materiales muy interesante: la materia activa. La materia activa posee energía propia y puede utilizarla para responder a fuerzas externas, a veces de maneras bastante inesperadas. La materia activa se encuentra generalmente en el ámbito de la biología: pensemos en una bandada de pájaros que se comporta como una sola entidad que responde a estímulos externos como el viento, los cambios en el terreno o la presencia de alimento o un lugar de descanso natural.
Los ejemplos no se limitan al ámbito de la biología. La materia activa también puede construirse en el laboratorio. En los últimos años, un equipo internacional de físicos de las universidades de Ámsterdam (Países Bajos), Cambridge (Reino Unido) y Nueva Gales del Sur (Sídney, Australia) se ha especializado en el uso de ingredientes sencillos como pequeños motores, varillas y gomas elásticas para construir materiales activos con propiedades sorprendentes y, sobre todo, útiles. Recientemente, se han publicado dos artículos del equipo.
Pandeo y rotura
Toma un billete de papel y comprímelo entre dos dedos. Perderá su estabilidad espontáneamente y se doblará hacia un lado u otro. Ahora intenta empujar la parte doblada hacia adentro con la otra mano. Al principio opondrá resistencia, pero luego se doblará repentinamente hacia el otro lado. El billete de papel es una forma inerte de materia: cuando se le aplica presión externa, sólo se doblará y se doblará una vez.
Como demuestran los investigadores, el pandeo y la rotura cambian drásticamente cuando los materiales se vuelven activos. Para construir un material activo capaz de experimentar pandeo y rotura, los físicos conectaron una secuencia de varillas formando una cadena, con pequeños motores acoplados a los extremos donde se unen dos de estas varillas. La función de los motores era lograr que las interacciones dentro de la cadena no fueran recíprocas. Cuando la varilla A se mueve, la varilla B responde de manera diferente (girando sobre un ángulo distinto, por ejemplo) a como responde la varilla A cuando se mueve la varilla B.
El resultado sorprendente fue que las cadenas construidas de esta manera seguían deformándose y rompiéndose al aplicarles fuerzas externas, pero esta vez no se trataba de una sola deformación y rotura, sino que el proceso podía repetirse y producirse oscilaciones. En términos técnicos, lo que sucedió fue que el llamado punto crítico donde el sistema se rompía se convirtió en un punto crítico excepcional. En otras palabras, esto significaba que las cadenas podían empezar a moverse, caminar e incluso excavar.
El artículo sobre los resultados, cuyos primeros autores son Sami Al-Izzi de la Universidad de Nueva Gales del Sur y Yao Du de la Universidad de Ámsterdam, se publicó recientemente en Proceedings of the National Academy of Sciences, y una imagen de una de las cadenas de pandeo se utilizó como portada de la revista. El trabajo demuestra una nueva vía para la creación de materiales que pueden actuar de forma autónoma y tener diversas funciones, en particular, para su uso en robots flexibles y “blandos”. Estos materiales activos podrían constituir la base de cuerpos robóticos más inteligentes que operen independientemente del control centralizado.
A veces, más es menos
Desde la construcción de un puente hasta el ensamblaje de dispositivos nanomecánicos, los ingenieros recurren a numerosos principios mecánicos al construir cualquier cosa. Uno de ellos es el Principio de Le Chatelier, que establece, en términos generales, que lo que sucede a pequeña escala también sucede a gran escala. Por ejemplo, reforzar los componentes de una estructura refuerza la rigidez de la estructura en su conjunto.
En trabajos recientes, un equipo de físicos ha demostrado que, en lo que respecta a la materia activa, el principio de Le Chatelier no siempre se cumple. En particular, cuando los componentes básicos de un material activo se vuelven más activos, la estructura en su conjunto puede, de hecho, volverse menos activa. Los autores lo demostraron conectando motores y varillas similares, esta vez no en cadena, sino en una estructura reticular bidimensional. En sus experimentos, midieron cómo la elasticidad de esta estructura en su conjunto dependía de las propiedades de los componentes individuales.
El factor crucial que determina el comportamiento a gran escala resultó ser la percolación de los componentes microscópicos activos a través del material. Compárese esto con la percolación del agua en el café: al preparar café, el polvo no debe ser demasiado denso, o el agua no lo atravesará por completo. De manera similar, cuando existe una alta densidad de componentes menos activos en un material, las respuestas elásticas no siempre se propagarán, incluso si todos los demás componentes son extremadamente activos.
Un artículo sobre esta investigación, cuyo primer autor es Jack Binysh, del grupo de investigación de Corentin Coulais en la Universidad de Ámsterdam, se publicó recientemente en la revista Physical Review X. Binysh y sus colegas prevén que la violación del principio de Le Chatelier que han descubierto tendrá una importancia fundamental para los investigadores que trabajan con microestructuras activas, como geles biofísicos, monocapas epiteliales y redes neuromórficas. Su trabajo será de gran interés en física, ciencia de la materia blanda, ingeniería mecánica, ciencias biológicas y robótica.
Fuente: Tech Xplore.
