Cientistas usam um banho de bactérias nadadoras para montar materiais não convencionais.
Por Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria com informações de Science Daily.
Um banho quente é um lugar para relaxar. Para os cientistas, é também onde moléculas ou pequenos blocos de construção se encontram para formar materiais. Pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) levam isso para o próximo nível e usam a energia das bactérias nadadoras para forjar materiais. Um estudo recente na Nature Physics nos mostra como isso funciona e os potenciais benefícios de sustentabilidade que podem surgir dessa abordagem inovadora.
Você nunca sabe quando ideias deslumbrantes irão surpreendê-lo. Às vezes surgem dos lugares mais inesperados, como uma academia de boulder em Viena. Foi o caso de Daniel Grober, do ISTA, aluno de pós-graduação do grupo de pesquisa do físico Jérémie Palacci, que vinha trabalhando na montagem de materiais aproveitando a energia de bactérias nadadoras, e Mehmet Can Uçar, pós-doutorando do grupo de Edouard Hannezo. Alimentados por sua paixão compartilhada pela ciência e pela escalada, as discussões na academia se transformaram em um modelo de caneta do experimento de Grober. Seu conceito cativou Ivan Palaia, um pós-doutorando no grupo de Anđela Šarić, que decidiu se juntar à força-tarefa.
Juntos, esse trio dinâmico all-ISTA embarcou em um esforço colaborativo que agora atinge seu auge com um artigo publicado hoje na Nature Physics . O estudo mostra uma nova estratégia experimental para fabricar materiais a partir de pequenos blocos de construção. Ele traduz ideias da metalurgia – a fina arte da ferraria, onde ciclos de alta temperatura e resfriamento lento definem a estrutura de um material – em materiais macios, usando a atividade de um banho de bactérias nadadoras.
O que são banhos ativos?
No grupo de pesquisa de Jérémie Palacci no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria, tudo gira em torno de partículas microscópicas. “Nosso trabalho gira em torno de minúsculos blocos de construção semelhantes a ‘Lego’, cem vezes menores que um fio de cabelo. Tentamos entender como esses componentes se unem e formam estruturas maiores”, explica. Normalmente, quando esses blocos de construção são suspensos na água, eles balançam devido à temperatura, o que fornece energia para as partículas pularem para frente e para trás aleatoriamente. Um fenômeno racionalizado pela primeira vez por Einstein em 1905 e conhecido como movimento browniano.
Para introduzir ordem em meio ao caos, adicionar um “agente ativo” à água é benéfico. Isso resulta no que é conhecido como “banho ativo”, onde o agente age como um pequeno incêndio. Em princípio, com essa energia extra, você pode esperar controlar a montagem e as propriedades dos materiais – da mesma forma que o ferreiro forja. No entanto, até agora, uma abordagem onde, por exemplo, bactérias são usadas para forjar, nunca havia sido explorada.
Bactérias – o fogo
O aluno de Palacci, Daniel Grober, aceitou o desafio e começou a construir esse banho ativo com características inspiradas na metalurgia. Grober diz: “Usamos a bactéria E. coli como agente ativo, pois seu movimento de natação forneceu energia e algum tipo de agitação – ‘temperatura’ para um físico, equivalente a 2.000 ° C, semelhante à necessária para fabricar metais. Mas como é feito por bactérias e não é um forno de verdade, ele permanece suave o suficiente para ser usado com géis e materiais macios sem queimá-los.” Os blocos de construção eram partículas microscópicas na forma de colóides pegajosos – esferas redondas que se unem quando em contato.
Essa ideia provou ser bem-sucedida. As bactérias nadadoras amplificaram efetivamente o movimento das esferas, resultando na formação de agregações e estruturas semelhantes a gel.
Dance ao ritmo das bactérias
Além disso, a observação desses aglomerados recém-formados mostrou uma singularidade intrigante. Em todos os momentos, os agregados giravam no sentido horário, mas muito lentamente. Para esclarecer essa observação, Grober conduziu uma análise estatística do movimento do sistema. Ele confirmou uma rotação lenta e persistente dos agregados que se origina no giro horário (quiralidade) dos flagelos da E. coli – os minúsculos apêndices que impulsionam a bactéria em seu movimento. O cientista suspeitava que o movimento rotacional desempenhava um papel fundamental na formação das estruturas não convencionais que observou.
Apresentar seu trabalho em uma reunião semanal de laboratório intrigou seu colega Ivan Palaia, o que o levou a entender o fenômeno. Palaia propôs um modelo computacional mínimo, para capturar a quiralidade do banho bacteriano sem simular a bactéria nadadora. As simulações de computador foram primeiro validadas reproduzindo quantitativamente os resultados experimentais antes de fornecer uma compreensão mais profunda do mecanismo. O modelo confirmou o papel proeminente da rotação na formação de géis, formando estruturas notáveis com propriedades mecânicas exóticas que não podem ser alcançadas convencionalmente.
Mais para vir no futuro
Esta utilização de banhos bacterianos para montar materiais não convencionais é uma grande promessa. Por exemplo, embora o estudo tenha sido limitado a estruturas 2D na escala de mícrons, a abordagem foi projetada para seu potencial de aumento de escala. “Com esta abordagem inovadora, teoricamente seria possível construir amostras 3D, grandes o suficiente para caber na palma da minha mão!” acrescenta Palacci. Esse avanço também pode aumentar a sustentabilidade da produção de materiais, aproveitando a energia das bactérias, em vez de depender de fontes externas de energia.
Por fim, o estudo serve como uma prova de conceito, lançando as bases para o projeto financiado pelo ERC de Palacci chamado “VULCAN: matéria alimentada por dentro” e sublinha mais uma vez a importância da colaboração interdisciplinar na ciência que impulsiona a inovação. “O projeto nunca teria alcançado essa profundidade conceitual e quantitativa sem o trabalho colaborativo promovido pela ISTA”, conclui Palacci.
Referência do periódico :
Daniel Grober, Ivan Palaia, Mehmet Can Uçar, Edouard Hannezo, Anđela Šarić, Jérémie Palacci. Unconventional colloidal aggregation in chiral bacterial baths. Nature Physics, 2023; DOI: 10.1038/s41567-023-02136-x
Fonte da história:
Materiais fornecidos pelo Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
