In Il mago di Oz , un tornado raccoglie la casa di Dorothy e la sposta lontano. Un po' inverosimile, Giusto? Ma gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (DOE) pensano che, su una scala molto più piccola, minuscoli vortici potrebbero un giorno essere usati per spostare particelle microscopiche.

I vortici potrebbero un giorno essere utilizzati in progetti lab-on-a-chip per spostare particelle, come le cellule del sangue, da un luogo all'altro, o per costruire materiali con proprietà autoriparanti.

Prima che possano imbrigliare i minuscoli vortici, anche se, gli scienziati devono capire come i loro componenti, o particelle colloidali, forma e funzione. Esponendo gruppi di microscopici rulli magnetici metallici a vari campi magnetici, Il fisico di Argonne Alexey Snezhko e il postdoc Gasper Kokot stanno creando i propri vortici per accelerare questa comprensione.

"Il trasporto di oggetti è un obiettivo di vasta portata, ma stiamo lavorando sui primi passi, che è quello di comprendere i principi di base, " Snezhko ha detto. "Stiamo facendo questo come ricerca di un nuovo tipo di materiale attivo. Materiali esistenti fuori equilibrio."

La coppia ha pubblicato i recenti risultati nel numero del 14 giugno di Comunicazioni sulla natura .

Nella loro prima serie di prove, i ricercatori hanno messo circa 100 minuscoli rulli magnetici di nichel, o sfere, in una matrice d'acqua esposta ad un campo magnetico ad asse singolo, seguito da un campo magnetico alternato.

"Ogni particella è come una piccola bussola, " Snezhko ha spiegato. "E usiamo un campo magnetico per trasferire energia".

All'interno del singolo campo magnetico, i rulli allineati come se facessero davvero parte dell'ago di una bussola, ma quando esposto a un campo magnetico che ha cambiato orientamento 60 volte al secondo, i rulli invece si accalcavano insieme e formavano vortici.

Negli esperimenti, i vortici potevano muoversi liberamente nella matrice d'acqua, dove i ricercatori hanno studiato il loro comportamento naturale. Quando esposto al campo magnetico ribaltabile, anche le particelle si capovolsero e iniziarono a rotolare.

"Questo è l'unico sistema conosciuto in cui abbiamo visto questo tipo di rotolamento e auto-organizzazione con questo comportamento di floccaggio, " ha detto Kokot. "Il gruppo si muove come uno, proprio come uno stormo di uccelli."

Mentre le particelle si raggruppano, il sistema forma spontaneamente un vortice, ma il vortice ha anche delle proprietà strane, come inspiegabilmente cambiare direzione. Nel loro studio, il vortice ha cambiato direzione di rotazione in media una volta ogni 160 minuti.

"Vorremmo sapere perché cambia, cosa controlla la velocità di commutazione, " ha espresso Kokot. "Perché se possiamo controllarlo, possiamo iniziare a parlare di utilità."

I ricercatori sospettano che le particelle magnetiche possano effettivamente parlare tra loro in modo simile agli uccelli per evitarsi a vicenda in volo. E la speranza è che gli scienziati possano eventualmente utilizzare la conoscenza per autoassemblare e trasportare strutture nel mondo microscopico.

C'è ancora molto da studiare prima che gli scienziati capiscano appieno o siano in grado di controllare i vortici, ma Snezhko ha detto che pensa che, infine, potrebbero essere usati come pinzette, movimento di particelle non metalliche dentro e fuori una matrice liquida.

"Questo vortice interagisce con le particelle attraverso il liquido, " ha detto. "Può catturare una particella all'interno e spostarla."

Ma non è una soluzione valida per tutti, disse Kokot. Le particelle trasportate devono essere della giusta dimensione. Se sono troppo piccoli, si inglobano nel corpo del vortice e lo rallentano. E se sono troppo grandi, distruggono il vortice. Solo la particella della giusta dimensione verrà catturata nell'occhio del nucleo del vortice e trasportata. Potrebbe anche essere possibile utilizzare una particella per fissare un vortice in posizione, dove potrebbe trattenere o catturare le particelle che fluiscono oltre, ha detto Snezhko.

"Infine, man mano che sviluppi un migliore controllo di questi vortici, puoi usarli per catturare il carico e spostarlo su una superficie, " ha detto Snezhko. "In questo momento, possiamo catturare una particella, ma non possiamo guidarlo. Quindi farlo in un modo più controllato è qualcosa da guardare".

Per adesso, i ricercatori continuano a sperimentare con una serie di tipi di campi magnetici per vedere come i rulli rispondono in ambienti diversi e suscitano risposte e controlli nuovi e forse più complessi.