I surfisti Marangoni sono piccole particelle che si autospingono mentre si trovano a cavallo di un'interfaccia fluido-fluido in un modo simile a quello in cui un surfista si muove sulla superficie di un'onda. Negli ultimi anni, le particelle semoventi sono diventate il fulcro di numerosi studi di fisica, in quanto potrebbero servire da modello per studiare il movimento di oggetti browniani attivi con un'ampia gamma di velocità e interazioni.

Ricercatori dell'ETH di Zurigo, L'Università Heinrich-Heine di Düsseldorf e l'University College London (UCL) hanno recentemente realizzato surfisti Marangoni micrometrici attivi applicando luce laser a colloidi Janus assorbiti alle interfacce acqua-olio. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , si basa su diversi studi precedenti che esplorano l'uso della luce per controllare il movimento dei micronuotatori.

"Questo lavoro è nato da uno sforzo continuo per realizzare micronuotatori più efficienti e facilmente controllabili, "Lucio Isa e Nick Jaensson, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "I nostri risultati si basano su un corpus di lavoro esistente che si occupa del controllo del movimento dei micronuotatori utilizzando la luce e delle proprietà dei micronuotatori confinati alle interfacce fluide, che include alcuni dei nostri lavori precedenti."

In uno dei loro studi precedenti, Isa e i suoi colleghi hanno scoperto che il confinamento delle particelle di Janus nelle interfacce olio-acqua ha permesso a queste particelle di auto-promuoversi tramite gradienti chimici autogenerati che hanno innescato reazioni catalitiche. Questo effetto è molto simile a quello spesso osservato nelle particelle all'interno delle sospensioni sfuse.

Inoltre, i ricercatori hanno osservato che queste particelle potrebbero interagire molto fortemente tra loro a causa delle forze elettrostatiche repulsive che caratterizzano gli oggetti intrappolati nelle interfacce. Mentre questa osservazione ha aperto nuove entusiasmanti possibilità per lo studio di particelle attive fortemente interagenti, i nuotatori catalitici sono noti per essere particolarmente difficili da controllare utilizzando fattori esterni. Questo perché la loro propulsione dipende dalla concentrazione di combustibile chimico, che è difficile da regolare dinamicamente.

"La soluzione a questo problema è arrivata accoppiando la generazione di gradienti di temperatura asimmetrici mediante particelle di Janus che assorbono la luce e l'idea ben nota che alle interfacce fluide, quelli generano gradienti di tensione superficiale e, corrispondentemente, Flussi di Marangoni che potrebbero essere sfruttati per spingere le particelle attraverso un'illuminazione controllata nello spazio e nel tempo, " Dissero Isa e Jaensson.

I surfisti Marangoni sono particelle semoventi, il che significa che possono convertire fonti esterne di energia (ad es. luce) in un movimento diretto creando e mantenendo un'asimmetria nelle proprietà dell'ambiente circostante (ad es. profili di temperatura), a sua volta generando profili di tensione superficiale. Il nome Marangoni è associato all'origine di questa qualità semovente, che è mediato dai gradienti di tensione superficiale e dai loro corrispondenti flussi di fluido. La manifestazione di questi flussi fluidi, che può essere osservato in diversi fenomeni fisici (ad es. lacrime di vino e propulsione di barche di canfora), è noto come effetto Marangoni.

"I surfisti Marangoni sono importanti in fisica perché costituiscono un nuovo sistema modello per studiare il movimento attivo di oggetti a microscala semoventi con un'ampia gamma dinamica di velocità (fino a 10, 000 lunghezze del corpo al secondo) e interazioni sintonizzabili, " Dissero Isa e Jaensson. "Questi ultimi sono mediati dall'interfaccia fluida, che li confina anche in un piano bidimensionale senza la presenza di confini solidi. Lo studio sperimentale del movimento collettivo delle particelle attive in assenza di aggregazione è stata una sfida per la comunità e aprirà la strada allo studio di materiali bidimensionali come cristalli e vetri costituiti esclusivamente da componenti attivi".

Per realizzare surfisti Marangoni in microscala, È un, Jaensson e i loro colleghi hanno utilizzato un metodo semplice che prevede il rivestimento di un monostrato di particelle (cioè, strato di particelle molto ravvicinato) utilizzando un film d'oro tramite una tecnica nota come rivestimento sputter. Successivamente, hanno confinato le particelle in corrispondenza di un'interfaccia olio-acqua depositando una gocciolina di una sospensione acquosa utilizzando una microsiringa.

Finalmente, i ricercatori hanno illuminato le particelle usando un laser verde. La luce di questo laser è stata assorbita dai cappucci dorati della particella, generando un profilo di temperatura asimmetrico.

"Il profilo di temperatura asimmetrico generato dall'adsorbimento del cappuccio in oro genera un gradiente di tensione superficiale che spinge le particelle attraverso i flussi di Marangoni, " Dissero Isa e Jaensson. "In presenza di specie tensioattive, cioè., tensioattivi, il moto delle particelle è anche accoppiato ad un gradiente di concentrazione, che genera un secondo profilo di tensione superficiale. L'equilibrio tra i due regola la propulsione".

È un, Jaensson e i loro colleghi sono tra i primi ricercatori a dimostrare particelle attive con una gamma estremamente ampia di possibili velocità di propulsione sfruttando i flussi di Marangoni su microscala. Inoltre, le velocità di propulsione delle particelle che hanno creato possono essere facilmente regolate controllando semplicemente la concentrazione e l'illuminazione del tensioattivo.

"Le particelle che abbiamo dimostrato costituiscono un nuovo sistema modello che potrebbe essere utilizzato per studiare le proprietà di una nuova classe di materiali attivi, " Dissero Isa e Jaensson. "Ora abbiamo in programma di estendere i nostri studi, dove ci siamo essenzialmente concentrati sulla caratterizzazione del comportamento di propulsione a singola particella e sul chiarimento delle sue origini microscopiche, al caso del controllo simultaneo di assemblaggi di surfisti Marangoni verso la realizzazione di materiali attivi bidimensionali."

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