Un nuevo tipo de materia viola las leyes de la física
Eduardo Martínez de la Fe
Los bancos de peces, los enjambres de insectos y las bandadas de pájaros, en su nivel más básico, adoptan un comportamiento grupal que forma un nuevo tipo de materia activa, llamado estado de remolino, que viola la segunda ley de Newton.
La materia presenta a veces comportamientos tan extraños que desconciertan a los científicos, poniendo de manifiesto lo mucho que queda por conocer sobre todo lo que ocupa un lugar en el espacio.
Ya sabemos que la materia puede encontrarse en diferentes estados si forma parte de la Tierra, como el sólido, líquido y gaseoso, pero también que en el universo está presente un cuarto estado llamado plasma.
Existe un quinto estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein, que solo se da en ciertos materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto.
En ese estado, los átomos de la materia forman una entidad única temporal, comportándose como los bancos de peces en el mar: aunque son individuales, forman una realidad aparentemente mayor, una cuasipartícula también conocida como superpartícula o superátomo.
Materia activa
Además de estados, existen diferentes tipos de materia, desde la viviente e inanimada, hasta la orgánica, inorgánica, simple y compuesta.
Un tipo de materia muy particular es la conocida como materia activa. Se denomina así porque las partículas que la componen consumen energía para moverse o ejercer una presión mecánica.
La mayor parte de los ejemplos de materia activa se encuentran en la naturaleza y son los bancos de peces, las bandadas de aves o determinados comportamientos de las bacterias: todos son episodios colectivos de organización uniforme y espontánea.
Sistemas sintéticos
Sin embargo, la materia activa se ha desarrollado también en sistemas sintéticos obtenidos en laboratorio, con diferentes aplicaciones industriales, como partículas impulsadas, materia granular, enjambres de pequeños robots, etc.
Estos sistemas de materia activa pueden mostrar un comportamiento inusual que es difícil de entender o modelar. Los científicos han ideado diversos sistemas para analizar de manera controlada esta organización espontánea de la materia.
El objetivo de este esfuerzo científico es conseguir el autoensamblaje de pequeñas piezas, bien mediante la orientación controlada de la dinámica de las partículas activas, o bien consiguiendo que se acoplen entre sí para formar estructuras más complejas.
Nuevo estado de la materia activa
Investigadores de la Universidad de Leicester, en el Reino Unido, estaban investigando grandes sistemas de partículas activas cuando descubrieron algo sorprendente: un nuevo estado de la materia activa.
Observaron que las partículas activas, además de formar en ocasiones las consabidas fases gaseosa y sólida, desvelaban un nuevo estado de la materia activa, que se presenta en forma de remolino.
Es decir, en ocasiones, las partículas activas, en vez de moverse con la aceleración que les caracteriza, se mueven a una velocidad constante, proporcional a la fuerza aplicada por los investigadores, y en la misma dirección de la presión ejercida.
Fuera de la ley
Eso significa que, en el estado de remolino, la materia activa no se acelera cuando se le aplica una fuerza, sino que se mantiene a velocidad constante, a pesar de la presión sufrida.
Este comportamiento, apuntan los científicos, viola la segunda ley de Newton, según la cual la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la suma de todas las fuerzas que actúan sobre él, e inversamente proporcional a la cantidad de materia que tiene el objeto.
Además, la materia activa se comporta de forma diferente a la de la materia pasiva, ya que no coexiste en diferentes fases: o es toda sólida, toda líquida o toda gas.
Otra de las observaciones obtenidas por los científicos es que los remolinos de materia activa tienden a atraerse entre sí, lo que da lugar a formaciones más grandes en forma de remolinos.
Sorpresa en el laboratorio
“Nos quedamos completamente desconcertados al presenciar cómo estas cuasipartículas se arremolinan dentro de la materia activa, comportándose como superpartículas individuales con propiedades sorprendentes que incluyen no moverse con aceleración cuando se aplica la fuerza y fusionarse al chocar para formar remolinos de una masa mayor”, explica el director de esta investigación, Nikolai Brilliantov, en un comunicado.
Según los investigadores, este fenómeno del remolino observado en la materia activa es la punta del iceberg del conocimiento oculto que nos deja plantados en la pregunta ¿qué más no sabemos?
Los expertos obtuvieron estas mediciones al analizar modelos informáticos de partículas complejas autopropulsadas, que estudiaron a fin de comprender el comportamiento de multitudes humanas y de realizar recomendaciones para evacuarlas en caso de peligro, minimizando riesgos.
Los científicos señalan que, aunque sus hallazgos se obtuvieron en modelos de laboratorio controlados, el comportamiento debería ser observable en sistemas complejos de seres vivos en movimiento, como bancos de peces o bandadas de aves.
Muchas aplicaciones prácticas
El mundo de las partículas activas tiene muchas aplicaciones prácticas, incluso en los campos de vanguardia de la inteligencia artificial, los datos espaciales y la robótica.
Dado que una de las posibles aplicaciones prácticas de las partículas activas podría ser el autoensamblaje, los expertos de la Universidad de Leicester coinciden en que es esencial que los físicos sigan investigando para obtener descubrimientos basados en el trabajo de simulación.
Esto garantizará que, en la vida real, los materiales y las sustancias funcionen de manera confiable, esperada y predecible, sin incertidumbres inevitables, concluyen los investigadores.
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Referencia
Swirlonic state of active matter. Nikolai V. Brilliantov et al. Scientific Reports, volume 10, Article number: 16783 (2020). DOI :https://doi.org/10.1038/s41598-020-73824-4
Foto superior: Hiroaki Horiguchi en Pixabay
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