¿Qué es la Materia Activa?

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 como los circuitos integrados, los paneles solares o los LCD.

Esto fue posible, porque su teoría permitió describir y predecir los procesos y propiedades de la materia que está en equilibrio térmico. Incluso pudo describir con éxito los procesos levemente fuera de equilibrio, como la difusión y la conductividad eléctrica y térmica.

Sin embargo, en la naturaleza existe materia que está fuera de equilibrio, para la cual las herramientas de la termodinámica y la mecánica estadística tienen nula utilidad.

Y aunque en los últimos 20 años ha habido grandes avances en el estudio de estos sistemas fuera de equilibrio, no existe aún una teoría que permita comprender ni predecir todos sus procesos, por lo que se han convertido en el nuevo foco de interés de la física.

El gran paradigma de estos sistemas fuera del equilibrio es la Materia Activa.

Hemos visto como bandadas de aves, bancos de peces y otros colectivos de animales parecen moverse de manera sincrónica y organizada, a tal punto que parece que el enjambre parece tener vida propia. Lo mismo sucede a nivel más pequeño: suspensiones de bacterias, tejidos celulares y nadadores artificiales muestran sorprendentes movimientos grupales.

Estos sistemas son lo que los físicos llaman materia activa, un término acuñado para describir a estas estructuras compuestas por muchos elementos biológicos o artificiales, donde cada individuo tiene la capacidad de extraer energía del ambiente para generar movimiento o autopropulsarse.

¿Por qué es importante estudiar la materia activa? Como la materia activa presenta muchas facetas de la física de no equilibrio, es un prototipo perfecto para construir y probar un nuevo marco teórico para todos estos tipos de sistemas.

Además, las tecnologías de última generación que usan materia biológica a micro o nanoescala, incorporan materia activa, por lo que describir y predecir sus propiedades y comportamientos promete impactar su desarrollo.

Por último, el estudio de la materia activa, requiere de un enfoque multidisciplinario, con la colaboración continua entre físicos y biólogos.

Entregar esas respuestas es el objetivo del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, centro académico que investiga este campo a través del estudio de la autoorganización y el movimiento colectivo de seres vivos, las condiciones físicas necesarias para la vida, los flujos de energía e información al interior de una célula o la capacidad de generar máquinas auto ensambladas.

Además de la investigación teórica y experimental realizada en el período 2017-2020, en el primer trienio se graduaron cuatro estudiantes y se produjeron 16 publicaciones. En esta nueva etapa (2021-2023), nuestro Núcleo crece a seis investigadores principales, agregando al equipo original de tres investigadores, dos ex investigadores jóvenes y uno asociado.

Rodrigo Soto, Felipe Barra, María Luisa Cordero y Néstor Sepúlveda, del Departamento de Física de la Universidad de Chile; Francisca Guzmán Lastra, de Data Science de la Universidad Mayor; y Juan Keymer del Departamento de Ciencias Naturales y Tecnología de la Universidad de Aysén. A este grupo se une como investigador adjunto Miguel Concha, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile.

Todos cuentan con experiencia en biofísica, fluidos y mecánica estadística, lo que permite estudiar teórica, numérica y experimentalmente la física de la materia activa. A ellos se suman un grupo multidisciplinario de investigadores nacionales e internacionales, con colaboraciones en Sudamérica, Norteamérica, Europa y Asia.

Nuestro principal objetivo es extender la termodinámica y la mecánica estadística a las condiciones de no equilibrio de la materia activa.

Con este objetivo, en los próximos tres años, vamos a realizar investigación en las siguientes líneas:

  • Manipulación microfluídica de suspensiones bacterianas
  • Mecánica estadística de materia activa
  • Ecología en un chip
  • Teoría termodinámica estocástica
  • Coloides activos y nadadores bajo confinamiento
  • Biomecánica y migración celular
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CONTEXTO

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 como los circuitos integrados, los paneles solares o los LCD.

Esto fue posible, porque su teoría permitió describir y predecir los procesos y propiedades de la materia que está en equilibrio térmico. Incluso pudo describir con éxito los procesos levemente fuera de equilibrio, como la difusión y la conductividad eléctrica y térmica.

Sin embargo, en la naturaleza existe materia que está fuera de equilibrio, para la cual las herramientas de la termodinámica y la mecánica estadística tienen nula utilidad.

Y aunque en los últimos 20 años ha habido grandes avances en el estudio de estos sistemas fuera de equilibrio, no existe aún una teoría que permita comprender ni predecir todos sus procesos, por lo que se han convertido en el nuevo foco de interés de la física.

El gran paradigma de estos sistemas fuera del equilibrio es la Materia Activa.

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¿QUÉ ES LA MATERIA ACTIVA?

Hemos visto como bandadas de aves, bancos de peces y otros colectivos de animales parecen moverse de manera sincrónica y organizada, a tal punto que parece que el enjambre parece tener vida propia. Lo mismo sucede a nivel más pequeño: suspensiones de bacterias, tejidos celulares y nadadores artificiales muestran sorprendentes movimientos grupales.

Estos sistemas son lo que los físicos llaman materia activa, un término acuñado para describir a estas estructuras compuestas por muchos elementos biológicos o artificiales, donde cada individuo tiene la capacidad de extraer energía del ambiente para generar movimiento o autopropulsarse.

¿Por qué es importante estudiar la materia activa? Como la materia activa presenta muchas facetas de la física de no equilibrio, es un prototipo perfecto para construir y probar un nuevo marco teórico para todos estos tipos de sistemas.

Además, las tecnologías de última generación que usan materia biológica a micro o nanoescala, incorporan materia activa, por lo que describir y predecir sus propiedades y comportamientos promete impactar su desarrollo.

Por último, el estudio de la materia activa, requiere de un enfoque multidisciplinario, con la colaboración continua entre físicos y biólogos.

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NOSOTROS

Entregar esas respuestas es el objetivo del Núcleo Milenio Física de la Materia Activa, centro académico que investiga este campo a través del estudio de la autoorganización y el movimiento colectivo de seres vivos, las condiciones físicas necesarias para la vida, los flujos de energía e información al interior de una célula o la capacidad de generar máquinas auto ensambladas.

Además de la investigación teórica y experimental realizada en el período 2017-2020, en el primer trienio se graduaron cuatro estudiantes y se produjeron 16 publicaciones. En esta nueva etapa (2021-2023), nuestro Núcleo crece a seis investigadores principales, agregando al equipo original de tres investigadores, dos ex investigadores jóvenes y uno asociado.

Rodrigo Soto, Felipe Barra, María Luisa Cordero y Néstor Sepúlveda, del Departamento de Física de la Universidad de Chile; Francisca Guzmán Lastra, de Data Science de la Universidad Mayor; y Juan Keymer del Departamento de Ciencias Naturales y Tecnología de la Universidad de Aysén. A este grupo se une como investigador adjunto Miguel Concha, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Chile.

Todos cuentan con experiencia en biofísica, fluidos y mecánica estadística, lo que permite estudiar teórica, numérica y experimentalmente la física de la materia activa. A ellos se suman un grupo multidisciplinario de investigadores nacionales e internacionales, con colaboraciones en Sudamérica, Norteamérica, Europa y Asia.

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OBJETIVOS

Nuestro principal objetivo es extender la termodinámica y la mecánica estadística a las condiciones de no equilibrio de la materia activa.

Con este objetivo, en los próximos tres años, vamos a realizar investigación en las siguientes líneas:

  • Manipulación microfluídica de suspensiones bacterianas
  • Mecánica estadística de materia activa
  • Ecología en un chip
  • Teoría termodinámica estocástica
  • Coloides activos y nadadores bajo confinamiento
  • Biomecánica y migración celular