Matéria ativa

Na física, matéria ativa se refere a um sistema complexo composto por um grande número de elementos autodirigidos que consomem energia para se mover ou trabalhar.^[1][2][3] Estão fora do equilíbrio termodinâmico, pois ao contrário dos sistemas termodinâmicos que vão em direção ao equilíbrio e ao contrário dos sistemas com condições de contorno que impõem fluxos constantes, os sistemas de matéria ativa quebram a simetria de reversão do tempo porque a energia é continuamente dissipada pelos elementos individuais o sistema.^[4][5][6] A maioria dos exemplos de matéria ativa são de origem biológica e abrangem todas as escalas de seres vivos, desde bactérias e biopolímeros auto-organizados, como microtúbulos e actina (que fazem parte do citoesqueleto de células vivas), até cardumes de peixes e bandos de pássaros. E trabalhos experimentais atuais são dedicados aos sistemas ativos sintéticos, como partículas autopropelidas artificiais (move-se com propulsão própria).^[7][8] A matéria ativa é um conceito relativamente novo no campo da matéria condensada mole (coloide, polímero, espuma, gél), onde o modelo mais estudado, é o modelo matemático de Vicsek de 1995.^[9]

A pesquisa sobre matéria ativa combina técnicas analíticas, simulações numéricas e experimentos, onde as principais abordagens teóricas incluem hidrodinâmica,^[10] teoria cinética e, termodinamica não equilibrada (mecânica estatística de não equilíbrio). Os estudos numéricos envolvem principalmente modelos de partículas autopropelidas,^[9][11] modelos baseados em agentes, como algoritmos de dinâmica molecular ou modelos de gás reticulado,^[12] bem como simulações computacionais de equações hidrodinâmicas de fluidos ativos.^[10]

Os experimentos em sistemas biológicos abrangem uma ampla gama de escalas:

• grupos de pessoas e animais:^[13] bandos de pássaros,^[14] cardumes de mamíferos, cardumes de peixes e enxames de insetos;^[15]
• colônias de micronadadores:^[16] bactérias, algas e, espermatozoides;
• tecidos celulares: camadas de tecido epitelial,^[17] crescimento tumoral e embriogênese;
• componentes citoesqueléticos: redes de actina-miosina e, filamentos acionados por motores moleculares.^[18]

Os experimentos em sistemas artificiais incluem

• colóides autopropulsionados: partículas propulsionadas foreticamente;^[19]
• matéria granular acionada: monocamadas vibradas;^[20]
• robôs de enxame, e;
• rotadores Quinke.^[21]

Um metamaterial "inteligente" sintético composto por matéria ativa foi produzido na China por Chunli Yang e equipe no Instituto de Tecnologia de Harbin (na província de Heilongjiang), feito a partir de polímero com memória de forma, dando a capacidade do metamaterial impresso em 4D se reprogramar para diferentes tarefas sem a necessidade de ferramentas (um material quase vivo).^[22] Este metamaterial de polímero póde mudar a: forma, rigidez e, função, semelhante ao canivete suíço que consegue resolver múltiplos problemas.^[22]

O polímero com memória de forma, voltam à sua forma original, mas podem incorporar outros materiais para assumir diversos formatos com diferentes estímulos.^[22] Os protótipos sintetizados na China estimulados (por luz, calor, eletricidade ou, campo magnético) podem torcer, enrijecer, ou amolecer.^[22] Além de ter múltiplas formas simultaneamente e alternar entre elas quando necessário.^[22]

Referências