I fisici della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e della Heinrich-Heine Universität Düsseldorf hanno dimostrato che la smiscelazione avviene in sistemi costituiti da particelle macroscopiche che ruotano in direzioni opposte e che le particelle che ruotano in senso orario o antiorario formano gruppi omogenei. I ricercatori hanno utilizzato robot in miniatura fabbricati utilizzando metodi di stampa 3D per il loro esperimento. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

Il fenomeno stesso è noto. Gli organismi biologici come i batteri e le particelle attive artificiali tendono ad organizzarsi in sciami e schemi. Però, come funziona questa auto-organizzazione e quali forze sono coinvolte non è stato ancora ampiamente studiato. Gli esperimenti sulla dinamica delle particelle microscopiche sono difficili da condurre e l'ambito delle simulazioni è limitato perché i meccanismi di interazione fondamentali non sono ancora stati compresi.

Le vibrazioni fanno ruotare i mini robot

I fisici della FAU e dell'Università di Düsseldorf hanno ora osservato come le particelle rotanti si auto-organizzano durante gli esperimenti. Fare così, hanno posizionato piccoli robot su una piastra di base vibrante. Misuravano circa 1,5 centimetri ed erano dotati di sette gambe inclinate che fungono da molle elastiche e convertono l'impulso di vibrazione in movimento rotatorio. Per migliorare le interazioni, i robot, realizzati con stampanti 3D, erano dotati di quattro scanalature che li facevano comportare come ruote dentate che ingranano. "La nostra configurazione è in realtà abbastanza semplice, " spiega il prof. Thorsten Pöschel dell'Istituto di simulazione multiscala della FAU. "Abbiamo posizionato 210 rotori che ruotano in senso orario e 210 rotori che ruotano in senso antiorario in un anello in una configurazione a scacchiera completamente mista. Abbiamo acceso il tavolo vibrante e osservato cosa è successo".

Le particelle di mesh si attaccano insieme

I ricercatori sono rimasti sorpresi dai risultati:i singoli domini erano chiaramente visibili dopo solo un minuto, e dopo 15 minuti, i robot si erano quasi completamente smistati. "Questa segmentazione non è intuitiva, " afferma il dott. Christian Scholz dell'Istituto di fisica teorica II presso la Heinrich-Heine Universität Düsseldorf. "Ci saremmo potuti aspettare che le particelle che ruotano in direzioni opposte rimanessero insieme perché le loro scanalature non si incastrano, in modo simile a una catena di ruote dentate rotanti che ruotare alternativamente a destra o a sinistra." È vero il contrario, però. I rotori che ruotano nella stessa direzione si interconnettono e formano gruppi. Tracciando i singoli robot, i ricercatori hanno osservato correnti di bordo super-diffusive:le particelle vicino alle interfacce sono più mobili di quelle al centro dei Domini.

Le simulazioni confermano i risultati dell'esperimento

Numerose ripetizioni mostrano che i risultati dell'esperimento sono molto robusti:i rotori avevano formato principalmente tre o quattro domini separati dopo 1000 secondi di vibrazione. Le simulazioni sulla base delle equazioni di Langevin mostrano sempre una completa smiscelazione in due gruppi. "Il fatto che le variazioni durante i test siano state maggiori di quelle della simulazione potrebbe essere stato causato da imperfezioni nella forma dei nostri rotori stampati con stampanti 3D e dall'influenza della gravità poiché non siamo in grado di allineare le vibrazioni tavolo in posizione completamente orizzontale, " spiega il Prof. Dr. Michael Engel dell'Institute of Multiscale Simulation della FAU.

Sia l'approccio sperimentale che utilizza rotori fisici che le simulazioni di Langevin sono adatti per descrivere la dinamica collettiva e la separazione di fase delle particelle rotanti. I ricercatori sperano di dare un contributo a ulteriori ricerche sulla materia soffice attiva e sulle particelle microscopiche o addirittura molecolari. I risultati del progetto sono stati pubblicati con il titolo "I robot rotanti si muovono collettivamente e si auto-organizzano" nella rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .