Uma equipe de cientistas inventou uma nova técnica para determinar a dinâmica de partículas microscópicas interagindo usando reconhecimento de imagem para contar o número de partículas em uma caixa imaginária. Ao alterar o tamanho da caixa de observação, tal contagem permite o estudo da dinâmica do sistema coletivo, mesmo para um grupo denso de partículas suspensas em um fluido.

O trabalho deles foi publicado na Physical Review X.

Por mais de um século, cientistas de todos os tipos têm procurado explorar contagens de partículas, como moléculas submetidas ao movimento de Browning em um líquido, algo que cientistas de muitas disciplinas gostariam de saber, desde biologia estudando células até químicos estudando moléculas e física.

Uma maneira útil de caracterizar esse movimento é por meio da "constante de difusão", que descreve o quão rápido a partícula média no fluido se move. Esse número pode ser calculado seguindo uma partícula individual enquanto ela caminha aleatoriamente pelo fluido. A constante de difusão é então metade da constante de proporcionalidade entre o deslocamento médio e o tempo.

Para lidar com essa limitação, Sophia Marbach, da Sorbonne Université, em Paris, e seus colegas inventaram uma técnica que eles chamam de "contadoroscópio". Ela usa um software de reconhecimento de imagem para contar o número de partículas em uma caixa imaginária na amostra, que pode chegar a milhares.

O sistema de partículas pode ser um coloide — partículas suspensas em um líquido — ou organismos celulares, ou mesmo artificiais. O número de partículas nessas caixas — volumes de observação finitos — pode mudar conforme as partículas entram ou saem do campo de visão, assim como acontece em um microscópio. O usuário pode selecionar o tamanho da caixa do countoscope desejado para estudar a dinâmica das partículas em escalas maiores ou menores.

Mas seguir os caminhos e deslocamentos das partículas pode ser difícil, se não impossível, se houver um grande número de partículas e/ou elas forem indistinguíveis.

Para abordar isso, o grupo desenvolveu uma equação que, em vez disso, usou contagens flutuantes de partículas nas caixas, que também podem ser usadas para calcular a constante de difusão e inferir as propriedades dinâmicas das suspensões de partículas interagindo. Essa constante pode então ser deduzida simplesmente contando e calculando.

O grupo testou sua técnica em uma camada bidimensional de esferas plásticas de 2,8 mícrons de diâmetro em uma célula cheia de água. Usando esse sistema coloidal artificial, eles escolheram caixas quadradas com lados de 4 a 32 mícrons de comprimento. As caixas foram fotografadas por um microscópio invertido personalizado. Seu software então contou, caixa por caixa, o número de partículas em cada caixa.

Com esses dados, eles puderam calcular a mudança média no número de partículas em relação à primeira caixa, que eles descobriram que aumentou como a raiz quadrada do tempo. Por essa metodologia, seu valor para a constante de difusão correspondeu ao obtido de métodos mais tradicionais que reconstroem trajetórias de partículas.

Quando eles aumentaram o número de partículas em seu coloide simulado, as partículas se difundiram para longe de seus pontos de partida, como era esperado. O método deles ainda funcionava, mas eles começaram a ver a formação de grupos temporários de partículas, cerca de 10 ou mais, em sua configuração de protótipo. Isso era algo não visto em estudos tradicionais, simplesmente porque rastrear apenas uma única partícula por vez não pode revelar grupos.

Embora as partículas não tenham interagido em seu protótipo coloide, experimentos do mundo real geralmente não podem ser aproximados como um sistema não interativo. Ao contrário de sistemas menos densos (especificados pela "fração de empacotamento" das esferas), a equipe descobriu que desvios significativos de suas expressões matemáticas ocorreram em altas frações de empacotamento.

Isso ocorreu devido às interações entre partículas, e eles foram capazes de modificar sua análise quando fatores hidrodinâmicos e/ou estéricos complicaram o sistema. (Os efeitos hidrodinâmicos são aqueles induzidos pelo movimento das partículas através do fluido, e os efeitos estéricos surgem do arranjo espacial das partículas.)

De fato, uma nova escala de comprimento apareceu em sua análise, caracterizando uma transição entre comportamento de partículas hiperuniformes e estados coletivos.

Os grupos acreditam que sua metodologia pode ser estendida. "Confiamos que nossa abordagem analítica pode ser estendida para 3D [três dimensões], para sólidos ou cristais", escreveram eles em seu artigo.

"Nós definitivamente recebemos interesse no uso por outros cientistas", disse Marbach. "É algo tão fácil de fazer, na verdade, que alguns colegas tentaram em seus próprios dados e puderam ver coisas semelhantes ou diferentes, dependendo do sistema que estavam investigando."

Ela continuou: "Muitos cientistas gostariam de usar a estrutura para investigar sistemas muito diversos além de coloides: microalgas, bactérias, coloides ativos, vidros coloidais, moléculas, etc.", disse ela.

Ela disse que há muitas direções para pesquisas futuras — para melhorar a técnica do countoscope, expandi-la e generalizá-la para "incluir a possibilidade de sondar diferentes características dinâmicas além da difusão. Por exemplo, em microalgas/bactérias/coloides ativos, precisamos saber como resolver velocidades de natação ativas."