Simulazione della velocità, snellisce, e campi di flusso di vorticità indotti da filatori sincroni su una superficie d'acqua, come ottenuto negli esperimenti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
I colloidi attivati sono eccellenti sistemi modello per studiare strutture emergenti fuori equilibrio, dinamiche collettive complesse e regole progettuali per materiali di nuova generazione. In un nuovo rapporto, Koohe Han e un team di ricerca hanno sospeso le microparticelle ferromagnetiche a un'interfaccia aria-acqua e le hanno energizzate con un campo magnetico rotante esterno per formare insiemi dinamici di filatori sincronizzati. Ciascun filatore ha generato forti flussi idrodinamici con interazioni collettive tra più filatori per promuovere la formazione dinamica del reticolo. Usando esperimenti e simulazioni hanno rivelato le transizioni strutturali dallo stato liquido a quello quasi cristallino, dimostrando la natura riconfigurabile dei reticoli spinner dinamici. I materiali hanno mostrato un comportamento autorigenerante e hanno trasportato particelle di carico inerte incorporate, sintonizzato dai parametri di eccitazione esterna. I risultati sono ora pubblicati su Progressi scientifici , e fornire informazioni sul comportamento dei materiali spinner attivi con ordine strutturale riconfigurabile e funzionalità sintonizzabili.
Le particelle fuori equilibrio possono assegnare regole di progettazione per materiali riconfigurabili di prossima generazione grazie al loro potenziale di auto-organizzazione. Gli scienziati possono controllare i parametri del campo di eccitazione che si basano su un afflusso di energia esterno da un campo elettrico o magnetico per modificare la risposta dinamica e collettiva delle particelle attivate in un processo regolato. Questi sistemi attivi pilotati sul campo sono candidati promettenti per applicazioni nella purificazione dell'acqua e nella somministrazione mirata di farmaci regolando le loro proprietà di trasporto su richiesta. La ricerca recente si è concentrata sulle particelle semoventi che vanno dal concatenamento dinamico e clustering al floccaggio e alla turbolenza attiva. L'esplorazione dell'autoassemblaggio dinamico delle particelle colloidali può fornire una tecnica robusta per generare grandi insiemi di microscopici filatori. Questi spinner non sono semplici elementi costitutivi per l'assemblaggio dinamico poiché ruotano in direzioni casuali e si disintegrano.
Per ottenere un migliore controllo e sintonizzabilità del materiale attivo dello spinner, il team ha sviluppato un sistema di spinner autoassemblati co-rotanti in modo sincrono che sono stabili ed accoppiati in modo efficiente attraverso flussi idrodinamici autoindotti. In questo lavoro, Han et al. hanno riportato la formazione dinamica di sciami di filatori sincronizzati e autoassemblati da particelle ferromagnetiche di nichel (Ni) sospese a un'interfaccia aria-acqua ed energizzate da un campo magnetico rotante nel piano. I filatori autoassemblati hanno generato forti flussi idrodinamici per causare una serie di fasi dinamiche collettive. Han et al. esperimenti e simulazioni combinati per studiare le proprietà strutturali e di trasporto di questi materiali spinner attivi, i risultati forniranno informazioni sulle proprietà dei materiali spinner attivi sintetici per il trasporto e la manipolazione di particelle su microscala.
Assemblaggio guidato dal campo magnetico di spinner multiparticelle. (A) Schemi di uno stato disperso di particelle di Ni sotto un campo magnetico statico lungo la direzione z. (B) Assemblaggio di filatori sotto l'influenza di un campo magnetico rotante applicato nel piano xy (l'istantanea in basso è un'immagine sperimentale rappresentativa). (C) Dimensione del filatore in funzione della frequenza di campo fH a ρ =0.006 σ-2. La lunghezza della catena, LS, è normalizzato dal diametro della particella, (90 micron). La linea continua è una curva teorica calcolata. Riquadro:numero di Reynolds, Rif, dei filatori in funzione di fH. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
Il team ha applicato un campo magnetico statico perpendicolare all'interfaccia aria-acqua per consentire l'autoassemblaggio dinamico degli spinner da particelle di nichel ferromagnetico sospese. Hanno dato energia al sistema utilizzando un campo magnetico rotante esterno applicato in piano con l'interfaccia. L'autoassemblaggio dei filatori era completamente reversibile e controllato tramite parametri del campo esterno, per assemblare filatori multiparticelle guidati dal campo magnetico in strutture quasi reticolari. Gli spinner magnetici descritti negli esperimenti e nelle simulazioni differivano in due importanti aspetti dai dischi rotanti progettati in precedenza. Nello specifico, (1) l'attrazione magnetica tra le particelle era abbastanza forte da superare la repulsione e formare catene, e (2) l'elevata anisotropia degli spinner ha permesso al campo di flusso di variare periodicamente nel tempo.
Han et al. ha notato grandi insiemi di filatori autoassemblati sincronizzati per mostrare un'auto-organizzazione dinamica e ha calcolato l'ordine esagonale orientato al legame per quantificare l'ordinamento locale dei filatori. I cambiamenti nel valore medio dei parametri dell'ordine dei legami esagonali dei reticoli spinner hanno rivelato una chiara transizione dalla fase liquida alle fasi cristalline con l'aumento della densità dello spinner. A bassa densità, gli spinner hanno mantenuto un comportamento simile a un liquido:all'aumentare della densità, divennero più ristretti nel loro movimento per formare reticoli spinner auto-organizzati.
L'ordinamento locale dei reticoli spinner ottenuti sperimentalmente. (A) Un reticolo dinamico formato da filatori a fH =45 Hz e ρ =0,0164 σ-2. Il diagramma di Voronoi è sovrapposto al reticolo osservato. I filatori sono sfocati a causa del lungo tempo di esposizione che ha consentito l'identificazione precisa degli assi di rotazione per tutti i filatori. Barra della scala, 1 mm. (B) La distribuzione di probabilità del parametro d'ordine esagonale legame-orientazione ∣ψ6∣ nei reticoli di spinner a fH =45 Hz in funzione di . (C) Il valore medio ψ6 dei reticoli spinner illustra la transizione di fase dinamica da liquido a cristallino con la densità spinner ρ. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
Allo stesso modo, le simulazioni hanno catturato l'ordine liquido degli spinner a bassa densità, sebbene la loro transizione ai solidi non fosse così pronunciata rispetto agli esperimenti. Per indagare ulteriormente e caratterizzare in dettaglio l'ordine strutturale dei reticoli spinner dinamici, il team ha analizzato le posizioni relative degli spinner all'interno dell'ensemble e ha osservato che gli spinner si auto-organizzavano in reticoli con una spaziatura inter-spinner ben definita dipendente dalla frequenza ad alte densità. I reticoli dei filatori sincronizzati hanno formato una nuova classe di cristalli attivi accompagnati da un vigoroso campo di flusso vorticoso. I reticoli di spin auto-organizzati hanno mantenuto la capacità di autoguarigione, quale Han et al. mostrato distruggendo intenzionalmente il reticolo del filatore con una grande perla di vetro che passa attraverso la sua interfaccia, una volta che la perla è passata attraverso l'interfaccia, il punto interessato si è auto-riparato in pochi secondi.
Comportamento autorigenerante in reticoli spinner attivi. (A a D) Istantanee di un reticolo spinner che dimostra il processo di autoguarigione:(A) Un reticolo spinner a fH =90 Hz, =0,0112 σ−2, (B) il momento del rapimento reticolare da un tallone di 3 mm, (C) il reticolo è localmente fratturato dal tallone, e (D) reticolo spontaneamente autoriparato. Barra della scala, 5mm. (E) L'evoluzione temporale del parametro d'ordine orientativo del legame medio ψ6 nella regione fratturata del reticolo dello spinner. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
I forti flussi idrodinamici sottostanti autoindotti hanno indicato la possibilità per un reticolo di spinner sincronizzati di trasportare efficacemente particelle di carico passive. Per caratterizzare questo, gli scienziati hanno determinato il coefficiente di diffusione per una particella non magnetica passiva posta all'interno di un reticolo dinamico di spinner tracciando il suo spostamento quadratico medio (MSD). Si riferivano al trasporto di particelle come diffusione attiva, poiché i risultati erano ordini di grandezza maggiori di quelli corrispondenti al moto browniano termico passivo. Hanno ottimizzato in modo efficiente il coefficiente di diffusione attiva in base alla frequenza del campo esterno. Il comportamento del sistema ha contribuito ai cambiamenti nelle distanze spinner-spinner all'interno del reticolo per formare un effetto di ingabbiamento su un tallone di carico passivo e impedirne l'uscita dalla cella. Proprio come con gli esperimenti, le simulazioni hanno mostrato movimento e diffusione migliorati per particelle traccianti piccole e grandi, però, Han et al. non ha osservato la dipendenza dalla frequenza per il coefficiente di diffusione durante la simulazione rispetto agli esperimenti. Gli scienziati suggeriscono quindi di utilizzare simulazioni tridimensionali (3D) per chiarire l'origine della discrepanza osservata.
Trasporto attivo di una perla di vetro da 500 μm facilitato da un reticolo spinner, come ottenuto negli esperimenti. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
In questo modo, Koohe Han e colleghi hanno riportato i risultati delle proprietà strutturali e di trasporto di un nuovo materiale attivo composto da autoassemblati, filatori sincronizzati. Hanno sospeso le microparticelle ferromagnetiche a un'interfaccia aria-acqua per l'autoassemblaggio dinamico in più spinner alimentati da un campo magnetico rotante applicato all'interfaccia. L'attività del sistema è originata dal movimento rotatorio degli spinner, a differenza dei sistemi attivi convenzionali composti da unità semoventi. Le interazioni collettive tra gli spinner hanno permesso la formazione di nuove fasi dinamiche, inclusi liquidi di spinner e reticoli auto-organizzati che supportavano la diffusione attiva attraverso robusti, flussi idrodinamici autogenerati, insieme al comportamento di autoguarigione. Il team ha mostrato la possibilità di trasportare particelle di carico inerte all'interno di reticoli di spinner attivi auto-organizzati con controllo e manipolazione a distanza. Queste applicazioni di sciami di spinner sincronizzati forniranno nuove opportunità per progettare strutture autoassemblate e trasporto sintonizzabile in materiali attivi su microscala.
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