Kaostan ‘akıllı’ yumuşak maddeye – damlacıkları düzenli yapılara yönlendiren küçük kimyasal farklılıklar

Düzensizlik mantıklı olabilir ve mantığını anlamak gerçekten faydalı olabilir. Trento Üniversitesi’ndeki bir araştırma grubu tarafından yapılan bir araştırma, minimal bir kimyasal farklılığın kaotik, düzensiz hareketi nasıl son derece koordineli ve tekrarlanabilir bir yapıya dönüştürebileceğini gösteriyor.

Paris’teki Sorbonne Üniversitesi ve Kopenhag Üniversitesi’nden araştırmacılarla birlikte yürütülen çalışma dergide yayımlandı. npj Yumuşak Madde.

Deney: Kimyasal bir ‘motora’ sahip damlacıklar

Çalışma, ‘yumuşak madde’ olarak bilinen, deforme olabilen veya akışkan malzeme (emülsiyonlar, jeller, kolloidal süspansiyonlar veya biyolojik dokular gibi) sınıfına odaklanmaktadır. Özellikle çalışma, termodinamik dengenin dışında olan ve çevreden veya dahili bir kimyasal rezervden (aslında yerleşik bir ‘motordan’) enerjiyi emebilen ve onu doğrudan otonom harekete dönüştürebilen birimlerden oluşan ‘aktif’ yumuşak maddeyi ele alıyor.

Araştırma grubu suya yerleştirilen 50 yağ damlacığının davranışını analiz etti. Damlacıklar aktiftir çünkü kendi başlarına hareket etmelerini sağlayan bir madde salgılarlar.

Çalışmanın yazarları bunun nasıl çalıştığını şöyle açıklıyor: “Başlangıçta, damlacıklar çılgın sinekler gibi yüksek hızda hareket ediyor, çarpışıyor ve birbirlerine çarpıyorlar. Ancak deney boyunca düzenli bir yapı halinde toplanma eğilimi gösteriyorlar. Geçmişteki benzer çalışmalarla karşılaştırıldığında, gerçek buluş küçük bir varyasyonun tanıtılmasıydı: 25 damlacığı maviye ve 25 kırmızıya boyadık.

“Boya sadece onları etiketlemenin ve ayırmanın bir yolu değildi: çok küçük bir kimyasal değişiklik olmasına rağmen, damlacıkların yüzeyini biraz değiştirerek ‘yakıt’larını ne kadar hızlı tükettiklerini ve dolayısıyla oluşan yapıyı etkiledi.”

Araştırmacılar daha sonra kendi kendine toplanma sürecinin aşamalarını şöyle açıklıyor: “Sistemin tekrarlanabilir beş aşamadan geçtiğini bulduk. İlk başta damlacıklar düzensiz bir şekilde çarpışıyor. Yakıt tükettikçe mavi damlacıklar önce yavaşlıyor ve birbirine yapışmaya başlıyor. Hâlâ hızlı ve aktif olan kırmızı damlacıklar, sonunda mavi olanları yakalıyor, onları merkeze doğru itiyor ve orada hapsediyor.

“Yakıt bittiğinde aktivite durur. Sonuç, kırmızı damlacıklardan oluşan bir dış halka ile çevrelenmiş mavi damlacıklardan oluşan bir çekirdeğe sahip, mükemmel şekilde düzenlenmiş, hareketsiz bir ‘sal’dır.

“Bu, doğada kuş sürülerinde olduğu gibi ‘ortaya çıkan bir fenomenin’ mükemmel bir örneğidir: bireyin genel bir bakış açısı yoktur ve yerel kurallara uyar, ancak grup tek bir koordineli organizma olarak hareket eder” diye açıklıyorlar.

“Özellikle damlacıklar eşit derecede aktif olsaydı, eşmerkezli bir yapı oluşturmadan rastgele karışırlardı.” Araştırmacılar böylece aktivitedeki yalnızca bir nüansı değiştirerek maddenin son organizasyonunu ‘programlayabildiler’. “Mikroskobik değişikliklere karşı aşırı duyarlılığın ve makroskobik düzeyde katı tekrarlanabilirliğin bir arada bulunması, bu sistemin en dikkat çekici yönlerinden biridir.”

Potansiyel uygulamalar

Araştırmacılar şöyle açıklıyor: “Uzun vadeli hedefimiz, bireysel bileşenlerde yer alan bilgilerin tüm sistemi nasıl kontrol edebildiğini ve geleceğin malzemelerinin temellerini atarak dinamik, duyarlı ve çevrelerine uyum sağlayabilen ‘biyo-esinli sistemler’ olarak adlandırılan alana giriyor.”

Daha spesifik olarak araştırma, elektronik parçalara veya fiziksel sensörlere ihtiyaç duymadan, yalnızca onu oluşturan unsurların hızına ve aktivitesine göre hareket ederek maddenin özerk birleşimine rehberlik edecek yeni araçlar sağlıyor. Bu, aktif yumuşak madde alanında potansiyel olarak dönüştürücü umutlar açıyor: çevrelerine uyum sağlayabilen, kendi kendini onarabilen veya kendi kendine toplanabilen akıllı malzemelerden (biyomedikal protezlerde yenilenen dokular gibi) sıvı robotik cihazlara kadar.

Araştırmacılar arasında Trento Üniversitesi Fizik Bölümü’nden ve INFN-TIFPA’dan Roberto Menichetti ve Raffaello Potestio; Trento Üniversitesi Hücresel, Hesaplamalı ve Bütünleştirici Biyoloji (CIBIO) Bölümü’nden Martin Hanczyc ve Silvia Holler; ilk yazar Matteo Scandola (Sorbonne Üniversitesi, daha önce Trento Üniversitesi’nde araştırmacıydı); ve Kopenhag Üniversitesi’nden Richard Löffler.