En los siglos XIX y XX el surgimiento de la termodinámica y la mecánica estadística fueron claves en los avances tecnológicos de la revolución industrial y generaron una multitud de dispositivos posteriores como los circuitos integrados, los paneles solares o los LCD.
Esto fue posible, porque estas teorías permitieron describir y predecir los procesos y propiedades de la materia que está en equilibrio térmico. El problema es que en la naturaleza existe materia que está fuera de equilibrio térmico, para la cual las herramientas de la termodinámica y la mecánica estadística no entregan respuestas.
“La materia a nivel macroscópico (que se ve a simple vista) se comporta siguiendo leyes que pueden obtenerse como consecuencia de las leyes fundamentales de la física, que describen el comportamiento de las partículas a nivel microscópico. Las propiedades de la materia en equilibrio termodinámico se pueden calcular a partir de ciertas reglas que se derivan de esas leyes microscópicas. No pasa lo mismo con la materia fuera del equilibrio. Muchos de sus comportamientos no los podemos formular en términos de reglas generales ni los podemos deducir de las leyes microscópicas”, explica Felipe Barra, director del Departamento de
Por eso, la materia fuera de equilibrio se ha convertido en un nuevo foco de interés de la física. El gran paradigma de estos sistemas es la Materia Activa, pues presenta muchas facetas de la física de no equilibrio y es un prototipo perfecto para construir y probar un nuevo marco teórico para todos estos tipos de sistemas.
De allí, que diversos grupos de investigación en el mundo estén en una suerte de “carrera” por crear una teoría que permita comprender y predecir todos sus procesos. ¿Por qué? Las tecnologías de última generación que usan materia biológica a microescala incorporan materia activa, por lo que describir y predecir sus propiedades y comportamientos promete revolucionar en áreas como la medicina, la electrónica o la agricultura.
En el Núcleo Milenio Física de la Materia Activa -alojado en el campus Beauchef, de la Universidad de Chile- un equipo de físicos lidera este trabajo en nuestro país.
Sistemas colectivos
Bandadas de aves, bancos de peces y otros colectivos más pequeños, como suspensiones de bacterias, tejidos celulares y nadadores artificiales -que parecen moverse de manera sincrónica y organizada, como si fueran un solo individuo- son algunos ejemplos de lo que los físicos llaman materia activa. “Como materia activa nos referimos a sistemas compuestos por partículas que tienen un motor individual. Es decir, no se mueven debido a fuerzas externas si no que por mecanismos escondidos en su propia estructura. Estos conjuntos de partículas son materia fuera del equilibrio, pues su comportamiento se debe a corrientes de energía”, explica Felipe Barra.
Agrega: “Entender el funcionamiento de esos motores internos en términos de las leyes microscópicas de la física es un desafío. Por otro lado, el movimiento individual de estas partículas difiere del que tienen las partículas no activas, que sí podemos describir usando las leyes de la física microscópica. Por eso, entender el comportamiento colectivo del conjunto de partículas que se mueve con una dinámica distinta de las que tenemos habitualmente es un reto para la física actual”, explica Barra.
Un nuevo modelo
Para dilucidar estas interrogantes es que Felipe Barra y Óscar Paredes, investigador posdoctoral del Núcleo Milenio estudian dos casos: uno en el que hay una sola partícula activa en un medio con otras pasivas y otro en que hay una partícula pasiva en un medio con otras activas.
“El objetivo es concentrarse en estudiar las interacciones entre las partículas y a partir de esto evaluar cantidades termodinámicas que están correctamente identificadas para sistemas fuera del equilibrio como lo son el trabajo realizado por la partícula activa para poder desplazarse en el medio; el calor que es disipado durante el nado y la producción de entropía (magnitud termodinámica que indica el grado de desorden molecular de un sistema) de nuestros sistemas”, dice Óscar Paredes.
El modelo propuesto por ambos físicos espera replicar el comportamiento de modelos previos descritos con ecuaciones hidrodinámicas, “con el ingrediente extra de que nuestro modelo es capaz de incorporar los efectos de las fluctuaciones térmicas en la dinámica, lo que permite definir de manera clara la temperatura del sistema, y con esto es posible usar gran parte de las herramientas de la termodinámica, y así lograr calcular cantidades como el calor y la entropía, que no se pueden calcular con los modelos hidrodinámicos”, detalla Paredes.
¿Formular una nueva teoría podría significar una nueva revolución industrial? “La tecnología avanza y ya hemos tenido varias revoluciones de impacto comparables a la revolución industrial. Pero podemos imaginar que entender ciertas leyes globales que indiquen lo que puede o no ocurrir con estos sistemas va a ayudar -enormemente- a mejorar procesos y diseños como los que se prevén en medicina, agricultura, piscicultura moderna por nombrar sólo algunas áreas”, dice Barra y agrega: “Un ejemplo es el uso de nadadores para entrega controlada de fármacos.
El entendimiento desde el punto de vista termodinámico ofrece la posibilidad de diseñar nadadores muchos más eficientes y mejor adaptados a los medios en los que se espera que operen. Por otro lado, está latente la posibilidad de extraer energía de estos sistemas activos de manera más eficiente, superado las limitaciones que encontramos al trabajar con sistemas en equilibrio. Por eso nuestro objetivo es extender a estos sistemas las teorías actuales, y lograr que a largo plazo- estos conocimientos puedan impactar en nuevas tecnologías”.
