materia activa

Una gota de agua sobre una película de fluoropolímero al principio se comporta como se espera: reposa y se evapora. Pero cuando se reduce a una cuarta parte de su tamaño inicial, se despega del lugar y en fracciones de segundo recorre una distancia varias veces mayor que su propio radio.

La tejedora se sienta ante el telar y sus manos se mueven con un ritmo imposible de predecir de antemano. Los hilos se juntan y se separan, formando un patrón que parece aleatorio pero obedece reglas estrictas.

Un pistón en un cilindro con gas normalmente se mueve cuando el gas empuja contra él. Pero hay un pistón que se mueve cuando hay vacío frente a él. Cada cinco segundos, revisa el espacio junto a su pared y, si no hay nadie allí, da un paso hacia adentro, comprimiendo el gas sin esfuerzo mecánico directo.

Una multitud en la entrada de un pasillo estrecho no se comporta igual que en una sala espaciosa: a algunos los aprietan contra las paredes, a otros los empujan hacia adelante. Algo parecido ocurre cuando una partícula alargada se encuentra en un líquido repleto de mancuernas automotrices.

Una multitud en la entrada de un pasillo estrecho no se comporta igual que en una sala espaciosa: a algunos los aprietan contra las paredes, a otros los empujan hacia adelante. Algo parecido ocurre cuando una partícula alargada se encuentra en un líquido repleto de mancuernas automotrices.

Un pulpo, con los tentáculos extendidos, espera. Nadie controla sus brazos desde un centro único, pero en cuanto una presa roza uno de ellos, los ocho se enrollan a su alrededor. Algo parecido han reproducido los físicos en el laboratorio con un cuerpo que no tiene ni neuronas ni músculos: un polímero estrella con brazos autopropulsados.

Imagina una bandada de pájaros que se reúne alrededor de un comedero que nadie construyó. Cada pájaro busca comida para sí mismo, pero al final terminan juntos. Por lo general, ese comportamiento se explica por un instinto social: los pájaros quieren estar cerca de sus congéneres. Pero, ¿y si la bandada es solo un efecto secundario de la codicia?

Una gota de aceite en agua es como una pelota en medio de una multitud. Si la multitud es escasa, las pelotas se mueven con libertad. Pero si hay mucha gente, cada uno queda apretado por los vecinos y toda la masa se comporta como un solo cuerpo. Así funciona más o menos una emulsión: una mezcla donde las gotas de aceite flotan en agua o viceversa.

Una gota de aceite en agua es como una pelota en medio de una multitud. Si la multitud es escasa, las pelotas se mueven con libertad. Pero si hay mucha gente, cada uno queda apretado por los vecinos y toda la masa se comporta como un solo cuerpo. Así funciona más o menos una emulsión: una mezcla donde las gotas de aceite flotan en agua o viceversa.

Dos personas quedan en verse, pero cada una tiene sus propios asuntos. Uno duda: ¿y si el otro no viene? Y decide no ir. El segundo piensa lo mismo. El encuentro no ocurre. Así se ve el mecanismo simple que analizan los autores del trabajo: una empresa común requiere que cada uno invierta tiempo, pero el beneficio depende de si el compañero participa.

Un grupo de puntos brillantes nada en la oscuridad, a veces condensándose en islotes, a veces dispersándose en ondas. No son peces ni aves: es un modelo matemático de materia activa, donde cada partícula gasta su propia energía para moverse, y además nace, muere y compite con sus vecinas por el espacio.

En un concierto, en medio de una multitud apretada, cada paso cuesta trabajo: cuanto más apretados estamos, menos ganas de moverse. Así se comporta normalmente la materia activa: los enjambres de bacterias o las bandadas de robots se quedan quietos en la densidad. Pero un grupo de investigadores descubrió el efecto contrario.

Una gota de agua sobre el vidrio tiembla y brilla: parece tener vida propia. Un comportamiento similar ahora puede verse en el mundo de los coloides: partículas diminutas suspendidas en un líquido. Los investigadores simularon en computadora partículas que emiten señales químicas. Estas señales, como olores en el aire, se propagan alrededor y hacen que los vecinos se acerquen o se alejen.

En un mundo donde los números de Reynolds son insignificantes, el agua se convierte en un jarabe viscoso y los métodos de natación que conocemos dejan de funcionar. Aquí reina el traicionero teorema del peine: los movimientos simétricos no generan avance. Los microorganismos encontraron una solución: desarrollan colas poliméricas.

La materia cuántica rara vez nos regala el espectáculo del movimiento autopropulsado. Mientras que el mundo clásico está lleno de bandadas de estorninos, cardúmenes de peces y bacterias ajetreadas, la termodinámica cuántica permaneció en calma durante mucho tiempo.

En el nuevo modelo, cada partícula activa tiene un ritmo interno: gira hacia la izquierda o hacia la derecha. La quiralidad es la propiedad clave: unas giran en sentido horario, otras en sentido antihorario. Pero cuando una partícula choca con un obstáculo o con una vecina, conmuta su rotación, como un patinador que, tras tocar el borde, estalla en una pirueta inversa.

En 1905, Einstein demostró que el movimiento caótico del polen en el agua es el resultado de los choques de moléculas invisibles. Un siglo después, los físicos aprendieron no solo a observar sino también a controlar el movimiento a nivel cuántico.

Una piedrecita cae en un estanque y se forman ondas en el agua. En el mundo cuántico, el estanque no está hecho de agua, sino de muchas partículas idénticas, y la piedrecita también es una partícula, pero forastera. A esa partícula forastera se la llama polarón de Fermi.

Dentro de cada célula hay una construcción continua: las moléculas se agrupan y se separan constantemente. A veces forman gotas densas, como aceite en agua, pero sin membrana. Estas gotas funcionan como almacenes temporales: aquí se guardan proteínas, copias de genes o herramientas para reparar el ADN.

Imagina dos líquidos inmiscibles, por ejemplo aceite y agua. En condiciones normales, tienden a separarse formando una interfaz nítida. Pero introduce nadadores microscópicos — bacterias, cuya base es el carbono — y el panorama cambia drásticamente.

Un puñado de arroz lanzado a un vaso de agua se dispersa: los granos se separan en todas direcciones. Ahora imagina que cada grano avanza por sí mismo con obstinada constancia y, al chocar, rebota suavemente. Estas partículas se llaman activas: gastan su propia energía para moverse, como las bacterias o los robots microscópicos.

Un puñado de granos de arroz cae en una sartén caliente y empiezan a saltar. Cada grano empuja a sus vecinos, y todo el montón se agita sin que nadie lo toque. Eso es la materia activa: una multitud de partículas que extraen energía por sí mismas y la convierten en movimiento.

Un globo se infla solo, aunque nadie sople. Así se ve aproximadamente la expansión acelerada del universo, y para explicarla normalmente se invoca la energía oscura, una fuerza invisible e incomprensible. Pero, ¿y si el globo se hincha porque dentro de él aparecen continuamente nuevas moléculas de aire?

Una bandada de pájaros o un banco de peces a veces se enrolla en un vórtice, aunque ningún individuo dé la orden de 'girar'. Esta rotación colectiva ayuda al grupo a mantenerse unido y a mezclarse mejor. Por lo general se explica porque los propios individuos son asimétricos, como un tornillo, o se empujan unos a otros con un giro.

Las levaduras están atrapadas en un gel transparente, como pasas en una gelatina. No se mueven por sí solas, pero pronto empiezan a ascender. El secreto está en su propia «gaseosa». Durante la fermentación, las levaduras liberan dióxido de carbono. En un medio denso, el gas no se escapa, sino que se acumula hasta formar burbujas.

Una colonia de células se parece a una ciudad que crece desde las afueras: las casas nuevas aparecen donde hay más espacio. Dentro hay hacinamiento y la construcción se detiene. Así, las células se dividen con más frecuencia en el borde, donde los vecinos las comprimen menos. Los científicos modelaron esto sin órdenes químicas, solo con mecánica.

Cuando en una gota de agua se reúnen muchas bacterias (compuestas principalmente de carbono), comienza una danza sincrónica: millones de diminutos seres se deslizan en elipses gigantes, como bailarines en una pista. Así, sin un líder, de movimientos simples surge un patrón complejo.

Una bandada de luciérnagas en un bosque nocturno parpadea al azar: cada insecto destella por su cuenta y la luz se dispersa por igual en todas direcciones. Ahora imagina que las luciérnagas se pusieran de acuerdo para parpadear de modo que su luz conjunta se dirigiera solo hacia el norte, aunque ellas permanecieran quietas y ninguna se girara.

Una gota de tinta en un vaso de agua se dispersa por sí sola. Pero si la tinta estuviera compuesta de pequeños motores, no solo se dispersaría: se arrastraría, empujaría y se agruparía en bancos. Estas partículas que se mueven por sí mismas se denominan activas. A partir de ellas se pueden ensamblar moléculas, como cuentas en un brazalete.

Las bacterias en una gota de agua se empujan y nadan, cada una por su cuenta, pero juntas crean patrones. Con movimiento débil, el líquido burbujea como una sopa a fuego fuerte: los remolinos chocan y la dirección de la corriente cambia cada segundo. Esto se llama turbulencia bacteriana.

Dos especies de bacterias comparten una misma placa de Petri. Ambas comen el mismo alimento y, según todas las reglas, una debería desplazar a la otra. Pero en la realidad, a menudo conviven durante años. El secreto está en saber retirarse a tiempo. Las bacterias no se quedan quietas. Cuando aparece un extraño cerca, comienzan a moverse más rápido.

En un vaso de agua se disuelven varias sales y formaldehído. Al cabo de un tiempo, el líquido se separa espontáneamente: aparecen gotas con membrana, parecidas a diminutas burbujas. Dentro de cada gota ocurren transformaciones químicas, y la gota misma crece al incorporar materia de la solución circundante. Estas gotas no son simples burbujas. En su interior se forman gotas más pequeñas, que también pueden crecer.

En el aire de las naves industriales y los laboratorios flotan moléculas invisibles de disolventes. Uno de ellos, el acetonitrilo, apenas huele, pero en concentraciones altas perjudica la salud. Los sensores convencionales para detectarlo son voluminosos y caros, mientras que aquí tenemos una fina película cristalina que reacciona por sí sola a la presencia de los vapores.

Una bacteria en una gota de agua no solo nada: palpa el espacio a su alrededor, decide hacia dónde girar y encuentra la salida de un laberinto enredado. Los nadadores microscópicos artificiales hasta ahora no sabían hacer eso: había que llevarlos de la mano, enviándoles señales desde el exterior.