Tese de mestrado, Física (Física Estatística e Não Linear), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2019As bactérias são um dos muitos tipos de organismos que têm a capacidade de metabolizar compostos do ambiente externo para executar movimento direcionado. Este mecanismo de autopropulsão permite-lhes explorar o ambiente de uma forma muito eficiente e evitar compostos tóxicos. Ao entender a sua dinâmica colectiva e quais podem ser as restrições para uma mobilidade eficiente, estamos mais preparados para lidar com problemas como a disseminaço de doenças bacterianas no corpo humano ou proliferação celular, mas também para desenhar novos micro-materiais com potenciais aplicações em diferentes contextos, como limpeza de oceanos. Matéria capaz de extrair energia do exterior e converte-la em energia cinética como de bactérias e células é designada como matéria activa. Quando em solução, dadas as suas dimensões, o seu movimento é afetado por flutuações térmicas, tal como acontece com as partículas passivas. No entanto, o fluxo de energia que resulta em movimento direcionado faz com que estes sistemas estejam fora do equilíbrio termodinâmico, colocando vários desafios ao seu estudo teórico. Este tipo de organismos (ou objectos artificiais) vivem (ou pretende-se que actuem) em ambientes complexos sendo de esperar que a sua dinâmica seja altamente influenciada por constrangimentos físicos, composição química e heterogeneidade do meio. Observa-se por exemplo que algumas partículas efectuam um movimento quiral quando confinadas a duas dimensões. Neste trabalho pretendemos estudar o movimento de bactérias em ambientes complexos, em particular compreender do ponto de vista teórico os resultados preliminares obtidos experimentalmente pelo grupo do Dr. Giorgio Volpe na University College de Londres. Estes resultados sugerem que a dinâmica individual e coletiva de bactérias (E:coli) é fortemente influenciada pela presença de obstáculos físicos. Um dos resultados principais mostra que a mobilidade geral das bactérias é de facto aumentada para uma concentração intermédia de obstáculos. Apresentamos um modelo numérico que reproduz o comportamento observado e que é capaz de identificar qual o mecanismo responsável pelo aumento de mobilidade para uma densidade óptima de obstáculos. Fazemos um estudo sistemático dos parâmetros que o compõe, com objectivo de perceber de que forma os diferentes constrangimentos físicos, estejam eles associados ao meio envolvente ou aos próprios elementos activos, influenciam o comportamento e em particular a mobilidade de matéria activa em ambientes complexos.Bacteria are among the simplest organisms that have the capability to metabolize nutrients from their environment and converting them into directed motion. This self-propulsion is what allows them to explore the environment in a very efficient way and to avoid toxic compounds. A deeper understanding of their collective dynamics and of the constraints to an efficient mobility is pivotal to solve open problems, such as, the spread of bacterial diseases in the human body or cell proliferation. The possibility of designing new micro-materials, inspired by these biological agents, might also be of a relevant technological impact in different contexts, such as cleaning of oceans or in the development of non-invasive medical treatments. When moving near a substrate some bacteria exhibit chiral trajectories moving in circular like paths. In this work, we aim at studying the motion of such chiral active particles in complex environments, in particular, to help to elucidate the results obtained experimentally by the group of Dr. Giorgio Volpe at the University College of London, showing how the individual and collective dynamics of bacteria (E:coli) are strongly influenced by the presence of physical obstacles. The main results show that the overall mobility of bacteria is in fact enhanced for an optimal concentration of obstacles. The main results of this thesis have been published in Nature Communications [10, 4110 (2019)]
