Física

O movimento caótico de uma coleção de bastões moleculares em movimento ativo pode ser aproveitado para girar hélices e cata-ventos de tamanho milimétrico, de acordo com novos experimentos [1]. O movimento da haste foi impulsionado por motores moleculares alimentados quimicamente que fazem com que as hastes vizinhas se conectem e passem umas pelas outras. A capacidade de converter a energia dessas máquinas microscópicas em movimento em larga escala pode eventualmente ser usada para acionar pequenas bombas que funcionam sem energia externa.

Matéria ativa refere-se a uma coleção de objetos que podem se mover por conta própria por meio de algum processo que consome energia. Muitas vezes é caracterizado por sua capacidade de criar ordem a partir da desordem. Por exemplo, certas bactérias nadam isoladamente em nenhuma direção específica, mas os pesquisadores mostraram que essas bactérias podem girar coletivamente uma engrenagem microscópica batendo preferencialmente em um lado dos entalhes da engrenagem [2].

Outros tipos de matéria ativa exibem movimento coletivo por meio de um alinhamento de elementos semelhantes a bastões. Esse chamado comportamento nemático ativo é comum em certos tipos de tecidos biológicos, como camadas de células epiteliais alongadas (ver Sinopse: Células Estendendo e Contraindo). Os elementos ativos normalmente se alinham entre si, mas seus movimentos individuais podem levar a regiões de desalinhamento chamadas defeitos. Essas regiões se formam e se movem de maneira imprevisível. "Um dos aspectos intrigantes [da nemática ativa] é que podemos aproveitar esse caos gerado internamente para criar algum tipo de movimento coerente", diz Zvonimir Dogic, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara.

Dogic e seus colegas realizaram um experimento com um material nemático ativo que combina uma proteína motora molecular chamada cinesina com biopolímeros em forma de bastão chamados microtúbulos. Dentro das células, os microtúbulos atuam como as estradas ao longo das quais as moléculas de cinesina puxam a carga celular. Em uma sopa concentrada de microtúbulos, uma molécula de cinesina pode se agarrar a dois microtúbulos vizinhos e fazer com que um deslize sobre o outro. Esse comportamento leva a dois tipos de defeitos nos padrões de alinhamento: defeitos "positivos" em forma de cometa e triangulares "negativos" (onde o sinal é baseado nas orientações dos microtúbulos ao redor do defeito).

Os pesquisadores estudaram os movimentos desses dois tipos de defeitos em um tanque cilíndrico onde o nemático ativo estava confinado às duas dimensões de uma interface óleo-água. No mesmo tanque, a equipe colocou objetos flutuantes de várias centenas de micrômetros de largura com uma variedade de formas – incluindo círculo, estrela e cata-vento. O nemático ativo empurrou os objetos simétricos como o círculo e a estrela, mas sem induzir uma rotação líquida. Por outro lado, o nemático ativo fez com que as formas do cata-vento girassem a uma taxa de cerca de 0,2 rotações por minuto.

Para explicar essas observações, a equipe rastreou o movimento do defeito no tanque, revelando um padrão inesperado de comportamento ao redor do cata-vento: defeitos positivos se formaram rotineiramente logo atrás das pás do cata-vento. Cada defeito recém-formado seguiu uma trajetória semelhante de escovar sua lâmina associada e depois disparar para fora - um processo que induziu a formação de um novo defeito atrás da lâmina. Este padrão cíclico produziu uma força rotacional líquida (torque) no cata-vento. A velocidade média das pás em suas pontas era de cerca de 3 µm/s, que era cerca de metade da velocidade média dos defeitos. Dogic diz que essa relação de velocidade está na mesma faixa geral das turbinas eólicas, cujas pontas podem se mover a 7 vezes a velocidade média do vento (mesmo que a geometria seja diferente).

No entanto, a energia rotacional gerada foi pequena quando comparada com a quantidade de energia química que as moléculas de cinesina queimam. "Muita energia é perdida e não está claro onde ela foi perdida", diz Dogic. Ainda assim, ele prevê aplicações potenciais em microfluídica, pois um nemático ativo poderia gerar um fluxo líquido em um canal com paredes cobertas por saliências semelhantes a lâminas. A vantagem aqui seria que o bombeamento seria autossuficiente - nenhuma energia externa precisaria ser fornecida, diz Dogic.