Fora da imaginação dos professores de física, os dispositivos sem fricção são difíceis de encontrar. Mas colocar um monte de bactérias nadadoras numa gota de água consegue exatamente isso: um fluido com resistência zero ao movimento. Por incrível que pareça, essa resistência (ou viscosidade, como é propriamente conhecida) pode até tornar-se negativa, criando um líquido autopropulsor que pode, digamos, transformar um motor de uma forma que parece desafiar as leis da termodinâmica. Trabalhos recentes explicam como as bactérias conspiram para fazer o improvável.

“Para um fluido normal é impossível porque tudo seria instável”, disse Aurore Loisy, um físico da Universidade de Bristol no Reino Unido e co-autor de um dos novos estudos, “mas para bactérias de alguma forma funciona”.

Os físicos há muito que sonham em obter algo para nada, mesmo que apenas em experiências de pensamento estranhas. Nos anos 1860, James Maxwell conjurou um demónio omnisciente que podia desviar moléculas rápidas de ar para um lado de uma sala e moléculas lentas para o outro, criando uma diferença de temperatura que poderia alimentar um motor. Com um pouco mais de praticidade, em 1962 Richard Feynman deu uma palestra sobre uma engrenagem microscópica que, quando empurrada por moléculas de ar, girava em apenas uma direção, dirigindo um motor. Mas tais idéias são frustradas pela Segunda Lei da Termodinâmica, que insiste que a triagem ou o giro deve gerar calor que condena ambos os esquemas. Como disse o poeta Allen Ginsberg, você não pode ganhar, e não pode quebrar o equilíbrio.

Recentemente, as evidências têm vindo a acumular que enquanto um almoço grátis está fora da mesa, um lanche barato pode ser viável com um sistema construído em torno de um fluido vivo. As odidades experimentais começaram a surgir em 2015 quando uma equipe francesa confirmou que as soluções de E. coli e água poderiam ficar anormalmente escorregadias. Ao fazer uma gota entre duas pequenas placas, eles registraram a força necessária para fazer uma placa deslizar a uma certa velocidade. Os líquidos normalmente ficam mais difíceis de agitar, ou mais viscosos, quando contêm partículas em suspensão adicionais (pense água vs. lama), mas o oposto acontece quando as partículas podem nadar. Quando a solução era cerca de meio por cento de E. coli por volume, manter a placa em movimento não necessitava de qualquer força, indicando viscosidade zero. Alguns ensaios até registaram viscosidade negativa, quando os investigadores tiveram de aplicar um pouco de força contra o movimento das placas para evitar que estas acelerassem. O líquido estava fazendo trabalho, o que para qualquer fluido inerte teria significado uma violação da Segunda Lei.

A conclusão direta foi que os organismos estavam nadando de forma a neutralizar o atrito interno da solução para produzir algo como um superfluido, um líquido com resistência zero. A aparente violação da termodinâmica foi uma ilusão porque as bactérias estavam fazendo o trabalho para compensar ou superar a viscosidade.

“Cada bactéria individual é extremamente fraca, mas há força em números”, disse Jörn Dunkel, um matemático do Instituto de Tecnologia de Massachusetts que não estava envolvido na experiência.

Mas a E. coli não costuma nadar todos na mesma direção, então pesquisas subsequentes tentaram descobrir o que poderia estar coordenando seus movimentos. Uma resposta, segundo pesquisa publicada em julho nos Anais da Academia Nacional de Ciências, são as interações entre os indivíduos.

“Quando você tem alta densidade, eles começam a se aglomerar”, disse Xiang Cheng, físico da Universidade de Minnesota e co-autor do trabalho. Mas ao contrário da enxameação vista em cardumes de peixes e bandos de aves, a enxameação de E. coli é impulsionada puramente pelas suas características físicas, não por uma resposta animada.

A configuração dos investigadores assemelhava-se à da equipa francesa, mas um microscópio anexo permitiu-lhes seguir o comportamento das bactérias. Claro que quando o cocktail de E. coli atingiu 10 a 20 por cento de bactérias por volume, formaram-se redemoinhos. À medida que as bactérias araram através da água, que parece ser espessa em sua escala microscópica, elas produziram ondas de choque que fustigaram seus companheiros tanto perto quanto longe.

“É um pouco como se você tivesse muitas estrelas em uma galáxia e elas pudessem afetar umas às outras”, disse Dunkel. Essas forças encorajaram grupos locais de E. coli nadadores a alinhar seus corpos em forma de pila.

Então, o movimento das placas torna esse comportamento local global. Arrastar a placa superior envia forças de tosquia através do fluido, que de fato organizam e orientam os enxames.

“Sem tosquia, a direção da enxameação é aleatória”, disse Cheng. “Sob o cisalhamento, você tem a tendência de ter todas as bactérias alinhadas em certas direções”

Após a influência das placas ajuda as bactérias a se assentarem em um alinhamento médio, sua natação empurra sobre a água e gera fluxos locais que transformam as propriedades da solução em larga escala.

Os resultados experimentais de Cheng são amplamente consistentes com um novo modelo teórico, publicado apenas uma semana antes em Physical Review Letters. Com o objetivo de desenvolver uma estrutura matemática para descrever o experimento de 2015, os pesquisadores modificaram as equações utilizadas para cristais líquidos com novos termos que contabilizam a atividade das bactérias.

A sua teoria reproduziu as viscosidades baixas e negativas observadas nos experimentos e também previu que as bactérias poderiam se orientar coletivamente em múltiplos padrões estáveis sob a pressão das placas.

“Você acha que realmente tem dois possíveis estados, duas possíveis soluções de equilíbrio”, disse Loisy.

Dunkel comparou o efeito a segurar um pedaço de papel ao longo de suas bordas superior e inferior e juntar as mãos: À medida que o papel se dobra, ele dobra em forma de C ou S. É então improvável que mude de uma dessas duas configurações até ser liberado. O trabalho de Cheng também sugere duas orientações em grande escala, mas ele espera que ambas estejam presentes simultaneamente em diferentes grupos de bactérias, e o comportamento observado representa uma média.

Detalhes sobre como esses efeitos contribuem para o comportamento supérfluo coletivo ainda não foram trabalhados, mas ninguém contesta que a transferência de energia do microscópio para o visível é real e peculiar.

“Normalmente você não pode fazer isso. Você não pode alimentar um motor com um fluido”, disse Loisy.

Mas com energia bacteriana, aparentemente, você pode.

“Se você tivesse bactérias suficientes na configuração certa, você poderia realmente fazê-las mover estruturas”, disse Dunkel, o que levanta a possibilidade tentadora de aproveitar o movimento das placas para girar uma turbina.

Além de conduzir um motor muito pequeno à velocidade das bactérias, outras aplicações potenciais incluem “líquidos inteligentes” que podem infiltrar-se nos canais subterrâneos para forçar a saída de óleo ou poluentes, segundo Harold Auradou, um físico da Universidade de Paris-Sud e co-autor do jornal de 2015.

De todos os modos, as leis da termodinâmica permanecem em pleno vigor.

“Você não está fazendo nada de mágico aqui”, disse Loisy.

Dois fatores permitem que as soluções bacterianas tenham sucesso onde demônios e microgears não têm. Primeiro, os E. coli atuam como pequenos motores, metabolizando energia a partir do açúcar e oxigênio na água. Para mantê-los em movimento, os pesquisadores tomam muito cuidado para obter o equilíbrio certo dos nutrientes. Muito pouco, e eles passam fome. Demasiado, e eles ficam preguiçosos.

“Eles são como humanos”, disse Cheng com uma risada.

Mas toda a energia do mundo não vai ajudar se for distribuída muito suavemente, ou muito desorganizada. Um sistema precisa de assimetria para coaxar a energia de um local para outro. Motores de calor requerem um fluido quente e um fluido frio, por exemplo, e turbinas hidrelétricas precisam de água fluindo de um lugar alto para um lugar baixo. Para as bactérias, a questão se resume à sua forma alongada, que responde às forças na água.

“Só o fato de se alinharem, de haver uma direção preferida, quebra a simetria”, disse Loisy. “Se fossem esféricos, não funcionaria”.

Este artigo foi reimpresso em espanhol em Investigacionyciencia.es.