Gira una giostra abbastanza velocemente e i piloti volano via in tutte le direzioni. Ma le particelle rotanti in un laboratorio della Rice University fanno esattamente l'opposto.

Gli esperimenti nel laboratorio Rice dell'ingegnere chimico Sibani Lisa Biswal mostrano sfere di dimensioni micron che si uniscono sotto l'influenza di un campo magnetico in rapida rotazione. Non è una sorpresa perché le particelle stesse sono magnetizzate.

Ma il modo in cui si uniscono è interessante poiché le particelle prima si raccolgono in un ammasso aggregato disorganizzato e poi in un regime simile a un cristallo quando il campo magnetico diventa più forte.

I risultati del lavoro condotto da Biswal e dalla studentessa laureata Elaa Hilou appaiono in Physical Review Materials. I ricercatori sperano che possa ispirare modi per guardare, modellare e creare nuovi materiali bidimensionali come catalizzatori sintonizzabili o colloidi che possono modificare la loro superficie su richiesta.

Gli esperimenti hanno rivelato confini, forme, transizioni di fase e creazione e risoluzione di difetti simili a cristalli tra 300 e 1, 500 sfere magnetizzate hanno seguito i loro impulsi energetici sotto l'influenza del campo in movimento.

"Ho presentato questo come una versione miniaturizzata di un fidget spinner in cui usiamo il campo magnetico per generare un'interazione isotropica attorno alle particelle, " Biswal ha detto. "Siamo in grado di creare insiemi di particelle che sono da poco a molto strettamente imballati dalla forza di tale interazione".

Questo interessava Biswal e Hilou, ma non tanto quanto quello che hanno visto accadere ai bordi, dove la tensione di linea formata dalle particelle più esterne determinava la forma ultima delle matrici.

"Pensa a una bolla di sapone, " Biswal ha detto. "Forma sempre una sfera, anche quando provi a deformarlo. Questo perché la tensione superficiale vuole ridurre al minimo la sua superficie. È lo stesso per il nostro sistema, ma in due dimensioni. Le interazioni cercano sempre di ridurre al minimo ciò che chiamiamo tensione di linea.

"Elaa trova l'interfaccia di Gibbs e misura l'energia a quell'interfaccia dove passa da molte particelle spesse (a basse intensità di campo magnetico) a quasi una singola particella spessa cambiando la forza dell'interazione, " ha detto. "Ha fatto molte analisi della tensione di linea e di come si relaziona con l'energia del sistema".

Il passo successivo è quello di creare fisici, modelli mobili per sistemi reali per vedere come reagiscono i costituenti quando vengono perturbati. "C'è molto interesse nel cercare di creare modelli per sistemi atomici e molecolari, " Biswal ha detto. "La maggior parte di ciò è stato fatto attraverso simulazioni computazionali, ma qui abbiamo un sistema sperimentale in grado di realizzare strutture e processi come la coalescenza".

"Per esempio, nella catalisi, se vuoi aumentare la superficie, vuoi più vuoti per facilitare il contatto tra un catalizzatore e una reazione, " Ha detto Hilou. "Aumentando la concentrazione e controllando il campo, possiamo iniziare a vedere i vuoti e controllare l'interfaccia rispetto alla massa."

La tecnica potrebbe modellare emulsioni, lei disse. "Dì che hai olio e acqua e vuoi separarli in fasi, " Ha detto Hilou. "Nel caso dei cosmetici e dell'industria alimentare, vuoi che le emulsioni siano stabili. Vogliamo essere in grado di imitare le loro dinamiche controllando la dimensione delle particelle e l'intensità del campo".

Biswal ha affermato che la tecnica potrebbe essere utilizzata anche per modellare sistemi in cui temperatura, piuttosto che l'elettromagnetismo, è l'autista. In campi come la metallurgia, i difetti vengono rimossi "alzando la temperatura per dare alle molecole più libertà di spostare i bordi dei grani e i vuoti, " ha detto. "Poi diminuiscono la temperatura per bloccare le strutture.

"Quello che abbiamo è un quadrante che non solo imita gli effetti della temperatura con un campo magnetico, ma offre anche la possibilità di guardare attraverso un microscopio ciò che accade in un sistema reale, " ha detto Bisval.

Laureato in riso Di Du, ora analista di ricerca statistica presso l'MD Anderson Cancer Center dell'Università del Texas, e lo studente laureato Steve Kuei sono coautori del documento. La National Science Foundation ha sostenuto la ricerca.