Una sfida impegnativa nella scienza e nell'ingegneria è il controllo della materia al di fuori dell'equilibrio termodinamico per costruire sistemi materiali con capacità che rivaleggiano con quelle degli organismi viventi. La ricerca sui colloidi attivi mira a creare "particelle" su micro e nanoscala che nuotano attraverso fluidi viscosi come i microrganismi primitivi. Quando queste particelle semoventi si uniscono, possono organizzarsi e muoversi come banchi di pesci per svolgere funzioni robotiche, come navigare in ambienti complessi e consegnare "carico" a posizioni mirate.

Un team di Columbia Engineering guidato da Kyle Bishop, professore di ingegneria chimica, è in prima linea nello studio e nella progettazione della dinamica di colloidi attivi alimentati da reazioni chimiche o magnetiche esterne, elettrico, o campi acustici. Il gruppo sta sviluppando robot colloidali, in cui i componenti attivi interagiscono e si assemblano per svolgere funzioni dinamiche ispirate alle cellule viventi.

In un nuovo studio pubblicato oggi da Lettere di revisione fisica , gruppo del Vescovo, lavorando con i collaboratori del Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) della Northwestern University, riferiscono di aver dimostrato l'uso di campi elettrici CC per guidare la rotazione avanti e indietro di microparticelle negli strati limite elettrici. Questi oscillatori di particelle potrebbero essere utili come orologi che coordinano l'organizzazione della materia attiva e persino, forse, orchestrare le funzioni di robot su scala micron.

"Oscillatori di particelle minuscole potrebbero consentire nuovi tipi di materia attiva che combinano i comportamenti a sciame dei colloidi semoventi e i comportamenti di sincronizzazione degli oscillatori accoppiati, " dice Bishop. "Ci aspettiamo che le interazioni tra le particelle dipendano dalle loro rispettive posizioni e fasi, consentendo così comportamenti collettivi più ricchi, comportamenti che possono essere progettati e sfruttati per applicazioni nella robotica a sciame".

Realizzare un orologio affidabile su scala micron non è così semplice come potrebbe sembrare. Come si può immaginare, gli orologi a pendolo non funzionano bene se immersi nel miele. Il loro movimento periodico, come quello di tutti gli oscillatori inerziali, si arresta sotto una sufficiente resistenza dall'attrito. Senza l'aiuto dell'inerzia, è altrettanto difficile guidare il movimento oscillatorio di particelle su scala micron nei fluidi viscosi.

"La nostra recente osservazione di sfere colloidali che oscillano avanti e indietro in un campo elettrico CC ha presentato un po' di mistero, uno che volevamo risolvere, " osserva l'autore principale del giornale, Zhengyan Zhang, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Bishop che ha scoperto questo effetto. "Variando la dimensione delle particelle, intensità di campo, e conducibilità del fluido, abbiamo identificato le condizioni sperimentali necessarie per le oscillazioni e scoperto il meccanismo alla base della dinamica ritmica delle particelle".

Lavori precedenti hanno dimostrato come particelle simili possono ruotare costantemente mediante un processo noto come rotazione di Quincke. Come una ruota idraulica riempita dall'alto, l'instabilità di Quincke è determinata dall'accumulo di carica elettrica sulla superficie della particella e dalla sua rotazione meccanica nel campo elettrico. Però, i modelli esistenti di rotazione di Quincke e di ruote idrauliche sovrasmorzate non prevedono la dinamica oscillatoria.

Questo nuovo studio caratterizza e spiega le "misteriose" oscillazioni facendo riferimento a uno strato limite nell'elettrolita non polare. All'interno di questo strato, spesso ignorato dai ricercatori, i portatori di carica vengono generati e poi migrano via sotto l'influenza del campo elettrico. Questi processi introducono asimmetrie spaziali nei tassi di accumulo di carica sulla superficie delle particelle. Come una ruota idraulica i cui secchi colano più velocemente in alto che in basso, la carica asimmetrica può portare a rotazioni avanti e indietro ad elevate intensità di campo.

"Il tasso di generazione limitato di cariche in questi deboli elettroliti crea uno strato limite paragonabile alla dimensione della particella sotto un forte campo elettrico, come rilevato numericamente dal mio dottorato di ricerca. studente Hang Yuan, coautore dell'opera. Di conseguenza, la "conduttività" degli ioni attorno alle particelle che si trovano all'interno del grande strato limite non è costante, portando alle oscillazioni osservate a forti campi elettrici, "dice Monica Olvera de la Cruz, Avvocato Taylor Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Chimica e (per cortesia) Ingegneria Chimica e Biologica, Fisica e Astronomia alla Northwestern Engineering.

"Questo lavoro mostra un modo per generare oscillatori, che potrebbe portare all'emergere di fenomeni cooperativi nei fluidi, "aggiunge.

Il team ha sperimentato diverse forme di particelle e ha scoperto che potevano generare oscillazioni con qualsiasi particella, purché la loro dimensione fosse paragonabile a quella dello strato limite.

"Regolando l'intensità del campo e/o l'elettrolita, possiamo controllare prevedibilmente la frequenza di questi `Orologi Quincke, '" aggiunge Bishop. "La nostra carta consente la progettazione di nuove forme di materia attiva basate su raccolte di oscillatori mobili".

Il team sta attualmente studiando i comportamenti collettivi che emergono quando molti oscillatori Quincke si muovono e interagiscono tra loro.