Partículas minúsculas desafiam a simetria de ação e reação para permanecerem em movimento.

Desde cardumes de peixes e bandos de pássaros até partículas sintéticas microscópicas, muitos sistemas na natureza e em laboratório consistem em unidades ou agentes individuais que se movem consumindo energia. Esses sistemas são conhecidos como matéria ativa porque seus componentes usam energia continuamente para gerar movimento, seja individualmente ou por meio de interações com o ambiente.Inspirados por tais sistemas, os pesquisadores têm demonstrado um interesse crescente nas interações não recíprocas, nas quais a influência que uma partícula exerce sobre outra não é retribuída na mesma medida. Em outras palavras, uma partícula pode afetar outra com mais intensidade do que é afetada por ela, rompendo, assim, a simetria de ação e reação. Isso é surpreendente porque, segundo a terceira lei de Newton, partículas passivas não podem se repelir continuamente na mesma direção.

Neste sistema, porém, os fluxos eletro-hidrodinâmicos de não equilíbrio permitem que uma partícula efetivamente "persiga" outra, de modo que a atividade surge mesmo que as próprias partículas não sejam autopropelidas. Tal assimetria pode gerar formas inteiramente novas de movimento coletivo e auto-organização. Contudo, as realizações experimentais têm se limitado, em grande parte, a pequenos aglomerados de partículas.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Yutaka Sumino e pelo professor assistente Kiwamu Yoshii, do Departamento de Física Aplicada da Faculdade de Engenharia Avançada da Universidade de Ciência de Tóquio, no Japão, demonstrou a dinâmica coletiva em larga escala impulsionada por interações não recíprocas em um sistema coloidal contendo mais de 10.000 partículas por mais de uma hora.

Uma plataforma de testes de campo elétrico

O estudo, publicado na Physical Review Letters em 6 de agosto de 2026, foi conduzido com Shoma Hara, um estudante do segundo ano do mestrado que concluiu o programa em 2025; Keisuke Kittaka (2021); Hiroaki Ishikawa (2020); e Masazumi Okada (2019).

"Nosso sistema fornece um exemplo experimentalmente controlável de física de muitos corpos não recíproca, onde a quebra da simetria ação-reação dá origem a fenômenos coletivos", diz Sumino.

Para criar um sistema com interações não recíprocas, os pesquisadores suspenderam partículas coloidais de poliestireno com raios de 1 e 1,5 micrômetros em água e as confinaram entre eletrodos transparentes revestidos com óxido de índio-estanho. Quando um campo elétrico alternado foi aplicado, fluxos eletro-hidrodinâmicos (EHD) se desenvolveram ao redor das partículas. Como a intensidade desses fluxos aumentava consideravelmente com o tamanho das partículas, partículas maiores geravam fluxos EHD mais intensos do que partículas menores.

Como resultado, as interações atrativas mediadas por EHD tornaram-se assimétricas, fazendo com que partículas maiores atraíssem partículas menores com mais força do que o contrário. Esse desequilíbrio quebrou a simetria de ação-reação e deu origem a interações não recíprocas.

Pares que se movem, grupos que se dividem

Os experimentos revelaram que partículas de tamanhos diferentes se emparelhavam espontaneamente para formar estruturas assimétricas com uma frente e um verso distintos. Esses pares se comportavam como unidades autopropelidas, movendo-se pela suspensão mesmo que as partículas individuais não pudessem se propelir sozinhas.

À medida que mais pares autopropelidos se formavam, eles se agrupavam em aglomerados maiores. No entanto, esses aglomerados não continuavam a crescer para formar agregados gigantes. Em vez disso, eles se fragmentavam, se rearranjavam e se reformavam repetidamente. Em contraste, suspensões contendo partículas de apenas um tamanho exibiam interações recíprocas e formavam gradualmente agregados cristalinos estáticos.

Os pesquisadores observam que interações não recíprocas semelhantes ocorrem em sistemas biológicos, como colônias de células e grupos de animais, sugerindo que o mecanismo identificado aqui pode fornecer uma estrutura útil para a compreensão do comportamento coletivo em sistemas vivos.

Os pesquisadores também reproduziram as observações experimentais usando simulações numéricas, que mostraram que a propulsão de pares não recíprocos é o mecanismo mínimo necessário para gerar dinâmicas de aglomerados persistentes. Como esses ingredientes não são exclusivos de suspensões coloidais, os pesquisadores esperam que comportamentos semelhantes surjam em uma ampla gama de sistemas fora do equilíbrio.

"Este estudo demonstra que a quebra da simetria ação-reação pode ser um mecanismo universal para a matéria formar ordem dinâmica espontaneamente. Simplificando, partículas que se atraem, como areia, pó ou gotas de chuva, geralmente continuam a se aglomerar ao longo do tempo, formando aglomerados maiores. No entanto, neste estudo, descobrimos que partículas coloidais sob um campo elétrico exibem um comportamento inesperado: elas se atraem, mas não formam aglomerados enormes, agrupando-se e depois se separando", explica Sumino.

Uma abordagem mais abrangente para a ordem dinâmica.

Os pesquisadores descobriram que pares de partículas autopropelidas geravam movimento contínuo dentro dos aglomerados, impedindo que eles crescessem e se tornassem agregados gigantes.

Os resultados mostram que interações não recíprocas podem alterar fundamentalmente a dinâmica coletiva convencional. É importante ressaltar que o sistema fornece uma plataforma experimentalmente controlável para o estudo de interações não recíprocas em grandes conjuntos de partículas e como elas moldam o comportamento coletivo.

Embora o trabalho seja principalmente um estudo fundamental da física de não equilíbrio, o princípio de design subjacente poderá eventualmente inspirar materiais programáveis ​​e sistemas microrobóticos controlados externamente, onde grupos de pequenos agentes se reúnem e se reorganizam coletivamente sob campos externos.

"Esta pesquisa demonstra que a quebra da simetria ação-reação é um princípio fundamental que gera novos movimentos coletivos e auto-organização da matéria", afirma Sumino.

Esses resultados ampliam ainda mais nossa compreensão do papel que as interações não recíprocas desempenham na formação da dinâmica coletiva.