¿Qué tienen en común una bandada de pájaros y un enjambre de microrobots? Nuevo proyecto Fondecyt busca hacer una teoría de la “materia activa”

Una bandada de pájaros cambiando al unísono de dirección, bacterias nadando coordinadamente en busca de nutrientes, o pequeños robots moviéndose colectivamente sin un control central. Aunque estos sistemas parecen muy distintos entre sí, todos comparten una característica fundamental: están formados por entidades capaces de impulsarse por sí mismas y coordinarse colectivamente. Comprender las leyes físicas detrás de estos comportamientos es uno de los grandes desafíos actuales de la llamada “materia activa”, un área emergente de la física estadística que busca describir sistemas fuera del equilibrio tradicional. 

Con ese objetivo, el profesor del Departamento de Física (DFI) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas (FCFM) de la Universidad de Chile, Dr. Rodrigo Soto, liderará el nuevo proyecto Fondecyt Regular “Teoría cinética para la materia activa”, una investigación teórica de cuatro años que busca desarrollar conceptos y herramientas matemáticas para entender cómo emergen comportamientos colectivos en sistemas con partículas de propulsión propia.

“La materia activa corresponde a sistemas donde las partículas tienen voluntad de moverse, es decir, cada partícula se impulsa a sí misma. Eso es muy distinto a la materia convencional, donde los átomos o moléculas sólo se mueven debido a colisiones con otras partículas”, explica Soto.

Comprender la materia activa

El proyecto busca identificar y clasificar las distintas “fases” que pueden surgir en este tipo de sistemas, de manera análoga a los estados sólido, líquido o gaseoso de la materia convencional. Sin embargo, en la materia activa las posibilidades son mucho más complejas y todavía no se conocen completamente. “Queremos entender cuáles son las propiedades colectivas que emergen cuando muchas partículas activas interactúan entre sí. La idea es construir una especie de termodinámica para la materia activa”, señala el investigador del DFI.

Para ello, el proyecto utilizará herramientas de mecánica estadística, especialmente teoría cinética y simulaciones computacionales, con el fin de describir matemáticamente el comportamiento colectivo de estados sistemas. Parte de las predicciones teóricas serán comparadas con experimentos realizados en laboratorios en Universidades de Lyon y Sorbona en París, Francia, donde se estudian sistema como microrobots coloidales y bacterias con quimiotaxis, así como el laboratorio de la profesora María Luisa Cordero del DFI, donde se estudian bacterias ultraconfinadas.

Uno de los ejemplos más conocidos del comportamiento colectivo en materia activa son las bandadas de pájaros. En estos sistemas no existe un líder central, sino que cada individuo ajusta su movimiento según el comportamiento de sus vecinos más cercanos, generando patrones organizados a gran escala. “Este tipo de coordinación espontánea no aparece en sistemas tradicionales de la materia”, enfatiza Rodrigo Soto.

Futuras aplicaciones

Aunque el foco principal del proyecto es generar conocimiento fundamental sobre nuevas propiedades de la materia, la investigación también podría tener aplicaciones futuras en áreas como robótica, biotecnología, agricultura y minería. Entre ellas destacan el manejo coordinado de enjambres de micro robots, capaces de tomar decisiones colectivas sin necesidad de un controlador central, además de aplicaciones en biorremediación, donde pequeños dispositivos podrían capturar contaminantes o metales pesados presentes en el agua.

Otra línea de interés es la optimización de procesos biotecnológicos mediante bacterias, “Entender cómo se mueven las bacterias podría ayudar, por ejemplo, a mejorar procesos de fertilización de suelos o aplicaciones de bioflotación en minería”, explica Soto. En el caso de la bioflotación, el estudio del movimiento y comportamiento colectivo de bacterias podría contribuir a mejorar procesos donde microorganismos se adhieren a partículas minerales para favorecer su separación y recuperación.

Para el investigador, uno de los aspectos más interesantes de este campo es que conecta fenómenos biológicos, físicos y tecnológicos bajo un mismo marco conceptual. ”Estos sistemas son raros desde el punto de vista de la física tradicional, porque están permanentemente consumiendo energía para moverse. Eso hace que aparezcan propiedades completamente nuevas”, concluye.

El proyecto “Teoría cinética para la materia activa” representa un nuevo avance del Departamento de Física de la FCFM de la Universidad de Chile en investigación de frontera en física estadística y sistemas complejos, contribuyendo al desarrollo de conocimiento fundamental con potencial impacto en múltiples áreas científicas y tecnológicas.