Quando Erik Luijten della Northwestern Engineering ha incontrato Zbigniew Rozynek, furono subito accomunati da un mistero.

Presentando a una conferenza in Norvegia, Rozynek, un ricercatore presso l'Università Adam Mickiewicz di Pozna?, Polonia, ha dimostrato qualcosa che sembrava quasi magico. Quando ha infilato un elettrodo a forma di ago in una miscela di dimensioni di micron, particelle metalliche sferiche disperse in olio di silicone, una sfera attaccata alla sua estremità. Quando Rozynek ha estratto l'elettrodo dalla dispersione, un'altra sfera attaccata alla prima sfera, e poi un altro alla seconda sfera, e così via, fino a formare una lunga catena.

"Le sfere si comportavano come perline magnetiche, tranne per il fatto che non era coinvolto alcun magnetismo, " disse Luijten, professore di scienze e ingegneria dei materiali e di ingegneria e matematica applicata alla McCormick School of Engineering della Northwestern. "Le particelle non hanno tendenza a raggrupparsi. Mi sono reso conto che stava accadendo qualcosa di più complicato."

Rozynek, insieme ai suoi collaboratori Filip Dutka, Piotr Garstecki, e Arkadiusz Józefczak, e Luijten si sono uniti ai loro team per comprendere il fenomeno che ha causato la formazione di queste catene. La loro scoperta potrebbe portare a una nuova generazione di dispositivi elettronici e a una rapida, metodo semplice per scrivere circuiti elettronici bidimensionali.

"I nostri risultati scientifici potrebbero aprire altre aree per la ricerca futura, sia fondamentale che applicata, " Rozynek ha detto. "Stiamo già lavorando a progetti di follow-up basati sulla nostra scoperta".

Con il sostegno della Fondazione per la scienza polacca, Centro nazionale delle scienze polacco, e la US National Science Foundation, la ricerca è stata pubblicata oggi online sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Rozynek e Luijten sono autori co-corrispondenti. Rozynek è anche co-primo autore con Ming Han, uno studente di dottorato nel Computational Soft Matter Lab di Luijten.

Rozynek e Han hanno eseguito più calcoli, mostrando come il campo elettrico dell'elettrodo ha cambiato le proprietà delle particelle. Quando l'elettrodo viene immerso nella soluzione colloidale, la sua punta carica polarizza ogni sfera. Queste interazioni dipolari indotte fanno sì che le sfere si leghino insieme. Una catena risultante potrebbe contenere centinaia di migliaia di sfere, raggiungendo fino a 30 centimetri di lunghezza.

Dopo che il team ha risolto il mistero di come si sono formate le catene, aveva un secondo mistero da affrontare. "Un'altra parte affascinante è che una volta che abbiamo tirato fuori la catena dal liquido, non dovevamo più applicare un campo elettrico per sostenere la struttura della catena, "Ha detto Han. "Dopo che il campo è stato spento, la catena di particelle stabile è rimasta stabile."

Dopo mesi di indagini, I team di Luijten e Rozynek hanno scoperto che le catene hanno mantenuto le loro strutture a causa di "ponti" liquidi tra particelle adiacenti. Mentre i ricercatori estraevano la catena dal liquido, l'olio di silicone aderiva ai lati di ogni particella, formando una cassa attorno all'intera catena e mantenendola intatta.

"La tensione superficiale gioca un ruolo importante qui, "Ha detto Han. "Il ponte liquido ha fatto aderire le particelle insieme. La fisica qui è davvero interessante. La maggior parte delle persone penserebbe che se volessi mantenere la struttura, allora dovresti applicare il campo elettrico. Ma questo non è necessario nel nostro sistema".

Una volta che la catena flessibile viene estratta dal liquido, può essere immediatamente trascinato lungo una superficie e depositato per creare un motivo. I ricercatori ritengono che questo metodo potrebbe essere utilizzato come un modo alternativo per creare semplici, circuiti elettronici bidimensionali. Se si usa cera fusa al posto dell'olio di silicone, quindi il metodo potrebbe essere utilizzato anche per costruire strutture tridimensionali che mantengono le loro forme quando la cera si raffredda e si indurisce.

"Anche se semplice, il nostro metodo per fabbricare strutture colloidali è molto elegante e può essere utilizzato per molte applicazioni, "Rozynek ha detto, "compresa la fabbricazione di percorsi conduttivi su diversi substrati da utilizzare, Per esempio, nelle applicazioni elettroniche".

Luijten e Rozynek credono che risolvere questo mistero potrebbe potenzialmente aprire la porta ad applicazioni che oggi non possono prevedere. Comprendendo come funziona il metodo, possono valutare meglio come diversi tipi di fluidi o livelli di tensione potrebbero influenzare le catene e cambiare il risultato.

"Capire come funziona lo rende molto più facile da manipolare e ottimizzare, " Ha detto Luijten. "Possiamo dire se il metodo funzionerà meglio o peggio se le particelle sono più grandi o se il campo elettrico è più forte. Questo è possibile solo perché lo capiamo. Altrimenti, dovresti esaminare una serie infinita di combinazioni."