Fisica

Secondo nuovi esperimenti, il movimento caotico di un insieme di bastoncini molecolari in movimento attivo può essere sfruttato per far ruotare eliche e girandole di dimensioni millimetriche [1]. Il movimento delle aste è stato guidato da motori molecolari alimentati chimicamente che fanno sì che le aste vicine si connettano e si spostino l'una sull'altra. La capacità di convertire l’energia di queste macchine microscopiche in movimento su larga scala potrebbe eventualmente essere utilizzata per azionare piccole pompe che funzionano senza alimentazione esterna.

La materia attiva si riferisce a un insieme di oggetti che possono muoversi da soli attraverso un processo che consuma energia. È spesso caratterizzato dalla sua capacità di creare ordine dal disordine. Ad esempio, alcuni batteri isolati nuotano in nessuna direzione particolare, ma i ricercatori hanno dimostrato che questi batteri possono far girare collettivamente un ingranaggio microscopico urtando preferenzialmente un lato delle tacche dell’ingranaggio [2].

Altri tipi di materia attiva mostrano un movimento collettivo attraverso un allineamento di elementi simili a bastoncini. Questo cosiddetto comportamento nematico attivo è comune in alcuni tipi di tessuti biologici, come gli strati di cellule epiteliali allungate (vedi Sinossi: Cellule che si estendono e si contraggono). Gli elementi attivi normalmente si allineano tra loro, ma i loro movimenti individuali possono portare a regioni di disallineamento chiamate difetti. Queste regioni si formano e si muovono in modo imprevedibile. "Uno degli aspetti intriganti [dei nematici attivi] è che possiamo sfruttare questo caos generato internamente per creare una sorta di movimento coerente", afferma Zvonimir Dogic dell'Università della California, Santa Barbara.

Dogic e i suoi colleghi hanno eseguito un esperimento con un materiale nematico attivo che combina una proteina motrice molecolare chiamata chinesina con biopolimeri a forma di bastoncino chiamati microtubuli. All’interno delle cellule, i microtubuli fungono da autostrade lungo le quali le molecole di chinesina trasportano il carico cellulare. In una zuppa concentrata di microtubuli, una molecola di chinesina può agganciarsi a due microtubuli vicini e farne scivolare uno oltre l'altro. Questo comportamento porta a due tipi di difetti nei modelli di allineamento: difetti "positivi" a forma di cometa e difetti "negativi" triangolari (dove il segno si basa sugli orientamenti dei microtubuli attorno al difetto).

I ricercatori hanno studiato i movimenti di questi due tipi di difetti in un serbatoio cilindrico in cui il nematico attivo era confinato nelle due dimensioni di un'interfaccia olio-acqua. Nella stessa vasca, il team ha posizionato oggetti galleggianti larghi diverse centinaia di micrometri e con una varietà di forme, tra cui cerchio, stella e girandola. Il nematico attivo spingeva gli oggetti simmetrici come il cerchio e la stella ma senza indurre una rotazione netta. Al contrario, il nematico attivo faceva girare le forme della girandola a una velocità di circa 0,2 giri al minuto.

Per spiegare queste osservazioni, il team ha monitorato il movimento del difetto nel serbatoio, rivelando un modello di comportamento inaspettato attorno alla girandola: difetti positivi che si formavano abitualmente proprio dietro le pale della girandola. Ogni difetto appena formato seguiva una traiettoria simile, sfiorando la lama associata e poi sparando verso l'esterno, un processo che induceva la formazione di un nuovo difetto dietro la lama. Questo modello ciclico produceva una forza rotazionale netta (coppia) sulla girandola. La velocità media delle lame alle punte era di circa 3 µm/s, ovvero circa la metà della velocità media dei difetti. Dogic afferma che questo rapporto di velocità rientra nello stesso intervallo generale di quello delle turbine eoliche, le cui punte possono muoversi a 7 volte la velocità media del vento (anche se la geometria è diversa).

Tuttavia, l’energia rotazionale generata era piccola se paragonata alla quantità di energia chimica bruciata dalle molecole di chinesina. "C'è molta energia che viene persa, e non è proprio chiaro dove venga persa", dice Dogic. Tuttavia, prevede potenziali applicazioni nella microfluidica, poiché un nematico attivo potrebbe generare un flusso netto in un canale con pareti coperte da sporgenze a forma di lama. Il vantaggio in questo caso sarebbe che il pompaggio sarebbe autosufficiente: non sarebbe necessaria alcuna fornitura di energia esterna, afferma Dogic.