Aprovechan el intrigante fenómeno del comportamiento emergente en micropartículas

Aprovechando un fenómeno conocido como comportamiento emergente, unos químicos han diseñado micropartículas sencillas que pueden generar colectivamente un comportamiento complejo, del mismo modo que una colonia de hormigas puede de manera organizada cavar túneles o recoger comida.

Las demostraciones de comportamiento emergente pueden verse en todo el mundo natural, donde las colonias de insectos, como las hormigas y las abejas, logran hazañas que un solo miembro del grupo nunca sería capaz de alcanzar.

El equipo integrado, entre otros, por Jingfan Yang y Michael Strano, ambos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos, se propuso diseñar partículas que pudieran generar movimientos rítmicos, u oscilaciones, con una frecuencia muy baja. Hasta ahora, la construcción de microosciladores de baja frecuencia requería una electrónica sofisticada, cara y difícil de diseñar, o materiales especializados con químicas complejas.

Las sencillas partículas que los investigadores han diseñado para este estudio son discos de tan solo 100 micras de diámetro. Los discos, hechos de un polímero llamado SU-8, tienen un parche de platino que puede catalizar la descomposición del peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.

Cuando las partículas son colocadas en la superficie de una gota de peróxido de hidrógeno sobre una superficie plana, tienden a desplazarse hacia la parte superior de la gota. En esta interfaz líquido-aire, interactúan con cualquier otra partícula que se encuentre allí. Cada partícula produce su propia burbuja de oxígeno, y cuando dos partículas se acercan lo suficiente como para que sus burbujas interactúen, las burbujas estallan, impulsando a las partículas a alejarse unas de otras. Entonces, empiezan a formar nuevas burbujas, y el ciclo se repite una y otra vez.

Los investigadores descubrieron que dos partículas podían formar un oscilador muy fiable, pero a medida que se añadían más partículas, el ritmo se descontrolaba. Sin embargo, si añadían cierta partícula ligeramente diferente a las demás, esta podía actuar como «líder» que reorganizaba a las demás partículas para volver a formar un oscilador con un ritmo fiable.

Esta partícula líder es del mismo tamaño que las demás, pero tiene un parche de platino ligeramente mayor, lo que le permite crear una burbuja de oxígeno más grande. Ello hace que esta partícula se desplace al centro del grupo, donde coordina las oscilaciones de todas las demás partículas. Con este método, los investigadores descubrieron que podían crear osciladores que contuvieran al menos 11 partículas.

Dependiendo de la cantidad de partículas, este oscilador late a una frecuencia de entre 0,1 y 0,3 hercios, que es del orden de los osciladores de baja frecuencia que gobiernan funciones biológicas humanas como el latir del corazón o como caminar.

El equipo del MIT ha demostrado que sus partículas especializadas pueden oscilar juntas, reproduciendo de manera útil el fenómeno conocido como comportamiento emergente. (Imagen: gentileza del equipo de investigación. CC BY-NC-ND 3.0)

Los investigadores también demostraron que podían utilizar el latido rítmico de estas partículas para generar una corriente eléctrica oscilante. Para ello, cambiaron el catalizador de platino por una célula (celda o pila) de combustible hecha de platino y rutenio u oro. La oscilación mecánica de las partículas altera rítmicamente la resistencia de un extremo a otro de la célula de combustible, lo que convierte la tensión generada por esta en una corriente oscilante.

Generar una corriente oscilante en vez de una constante puede ser útil para aplicaciones como energizar pequeños robots con patas para que puedan caminar.

Los investigadores del MIT utilizaron este sistema para demostrar que puede energizar un microactuador, que anteriormente se utilizó en las patas de un diminuto robot andante desarrollado por investigadores de la Universidad Cornell en Estados Unidos. La versión original requería un láser que tenía que apuntar alternativamente a cada conjunto de patas, para hacer oscilar manualmente la corriente. El equipo del MIT ha demostrado que la corriente oscilante generada por sus partículas puede impulsar el accionamiento cíclico de patas de microrrobots, utilizando un cable para transferir la corriente de las partículas al actuador.

Este trabajo de investigación y desarrollo ha sido financiado en parte por el Ejército de Estados Unidos. (Fuente: NCYT de Amazings)