Nanopartículas de Janus violam as leis da física e apresentam um novo estado de matéria

Partícula Janus composta de superfície de poliestireno e superfície de ouro áspero.
Diagrama que ilustra organização de nanopartículas de Janus.

Na mitologia romana, o deus Janus tinha duas faces que lhe permitiam ver o passado e o futuro. Por isso, os cientistas decidiram usar essa divindade para nomear um novo tipo de partícula composta de dois lados, cada um com propriedades químicas diferentes. As interações entre os dois lados criam um movimento autopropulsionado, o que permite à partícula violar algumas das leis mais famosas da física — a segunda lei de Newton, conhecida como princípio fundamental da dinâmica.

Quando olhamos o mundo ao nosso redor, percebemos que as coisas parecem funcionar de maneira simples. Quando empurramos um objeto, ele se move. Conforme aumentamos a força aplicada a esse objeto, ele ganha velocidade. Se o objeto ganhar massa, sua aceleração diminui, e assim por diante. Essas são algumas das leis que Isaac Newton observou e até hoje poucas coisas encontradas na natureza são capazes de violá-las. Bem, isso no mundo que podemos ver. No mundo microscópico das partículas, no entanto, as regras podem ser bem diferentes.

As regras descritas acima se aplicam à matéria passiva, e não à matéria ativa, que são os seres vivos. Tanto nós, humanos, quanto os animais e até mesmo seres muito pequeno como as bactérias, são capazes de se mover por si próprios, sem a necessidade de uma força externa. Claro, isso não significa que não é necessário energia, mas essa energia está contida na própria matéria ativa — no nosso caso, o corpo humano. O que os cientistas não esperavam até pouco tempo é que uma matéria passiva, isto é, não viva, poderia também se auto-impulsionar.

Nikolai Brilliantov, matemático do Skolkovo Institute of Science and Technology, na Rússia, quer entender melhor esse tipo de partícula, que recebe o nome de Janus. O modelo mais comum de partícula de Janus é ter um lado hidrofílico (atraído pela água) e o outro hidrofóbico (repelente de água). Existem outras ainda mais complexas, e já temos algumas aplicações interessantes, como microveículos impulsionados por reações químicas que só acontece em um dos lados das partículas de Janus.

Contudo, pode ser que haja muitas outras tecnologias possíveis, basta entender melhor como essas partículas funcionam. Para explorar essa matéria ativa, Brilliantov e seus colegas usaram um computador capaz de simular as partículas, e o resultado revelou algumas surpresas. As simulações eram simples, com partículas que não interagem conscientemente com o meio ambiente, assemelhando-se às bactérias simples, ou ainda a nanopartículas com fontes internas de energia. Além disso, elas não tinham capacidade de processamento de informações.

Um dos resultados interessantes foi constatar que essa matéria não coexiste em estados diferentes, como a matéria passiva — um copo de água líquida, por exemplo, pode evaporar para o estado gasoso, deixando para trás um restante de água no estado líquido. A matéria ativa, no entanto, não apresentou essa possibilidade, permanecendo totalmente no estado sólido, líquido ou gasoso, sem uma transição gradual.

Outra curiosidade é que as partículas se agruparam como grandes conglomerados, que se misturaram em um padrão circular em torno de um vazio central, de modo semelhante ao que vemos em um cardume. Os pesquisadores apelidaram esses conglomerados de partículas de “redemoinhos” e nomearam o novo estado dessa matéria — uma condição específica em que as partículas de Janus formaram um “estado redemoinho”. E é nesse estado em que as partículas começam a se comportar de modo ainda mais estranho: quando uma força foi aplicada, elas não aceleraram, ou seja, violam a segunda lei de Newton. Elas simplesmente “se movem em uma velocidade constante disse Brilliantov.

O próximo passo para a compreensão dessas partículas é realizar experimentos com matéria real. A equipe de cientistas ainda pretende fazer simulações mais complexas, dessa vez usando partículas de matéria ativa com capacidade de processamento de informações. Elas terão comportamento mais semelhante ao de insetos, o que poderá ajudar a revelar as leis físicas que regem essas partículas. A pesquisa de Brilliantov e equipe foi detalhada em outubro de 2020 na revista Scientific Reports.

*Com informações doSpace.com e CanalTec.

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