Эрик Люйтен из Северо-Западного университета и Стив Граник из Корейского института фундаментальных наук (IBS) и Ульсанского национального института науки и технологий продемонстрировали контроль над взаимодействием между микроскопическими сферами, заставляя их самодвигаться в рои, цепи и скопления. Такие активные частицы могут открыть новый класс технологий с приложениями в медицине, химии и инженерии, а также продвинуть фундаментальное понимание учеными коллективного, динамического поведения в системах.
«Мы определили минимальные ингредиенты, необходимые для всех этих различных форм поведения», — сказал Луйтен, профессор материаловедения и инженерных наук, а также прикладной математики в Школе инженерии Маккормика Северо-Западного университета. "Теперь мы можем изменить то, как движется эта динамическая система."
«Мы делаем небольшие шаги в направлении поощрения реалистичного поведения в материалах», — сказал Граник, руководитель Центра мягкой и живой материи IBS. "Мы уже начинаем видеть, что активные материалы могут вести себя разумно."
Исследование, проведенное при поддержке Корейского института фундаментальных наук, Министерства энергетики, Национального научного фонда и Северо-Западного исследовательского центра материалов, опубликовано 11 июля в Интернете в журнале Nature Materials.
Мин Хан, аспирант лаборатории Луиджтена, и Цзин Ян, бывший аспирант Иллинойского университета, были соавторами статьи.
Люйтен и Граник подчеркнули важность командной работы, поскольку это текущее открытие является частью давнего сотрудничества с использованием нового класса частиц мягкой материи, называемых коллоидами Януса, которые Граник ранее разработал в своей лаборатории. Команда Люйтена завершила теоретическое компьютерное моделирование, а Граник использовал свои коллоиды для экспериментальной проверки коллективного динамического поведения в лаборатории.
«Это действительно была совместная работа», — сказал Луйтен. "Без экспериментального или вычислительного вклада это не удалось бы."
Названные в честь римского бога с двумя лицами и обычно подвешенные в растворе, сферы микронного размера взаимодействуют друг с другом с одной стороны и имеют отрицательный заряд с другой.
"Коллоиды — отличная модельная система", — сказал Луйтен. "Реальные материалы, такие как молекулы, очень трудно увидеть и ими управлять. Эти коллоиды имеют схожее поведение, но в масштабах времени и длины, к которым мы можем получить доступ. Несмотря на то, что они просты, их поведение характерно для систем."
Подвергая коллоиды электрическому полю, можно было управлять электростатическим взаимодействием между двумя сторонами самоходных сфер. Некоторые испытали более сильное отталкивание между обращенными вперед сторонами. Другие испытали обратное. И еще один набор остался где-то посередине.
Этот дисбаланс заставлял самоходные частицы «плавать» и самоорганизовываться в один из четырех различных паттернов: случайный газ, рои, скопления или цепочки.
Чтобы избежать лобовых столкновений, отталкивающие голову частицы плавали бок о бок, выстраиваясь в стаи. Частицы, отталкивающие хвосты, расставили свои хвосты друг от друга, сжимая головы вместе, образуя кластеры.
А пловцы с равным и противоположным зарядом втягивали друг друга в связанные цепочки.
«Такие типы поведения никогда не наблюдались раньше в одной системе», — сказал Луйтен. "Мы смогли продемонстрировать все эти разные классы поведения в одной системе, повернув всего одну ручку."
Это открытие может иметь различные применения в доставке лекарств, зондировании или даже в микроробототехнике. Лекарство может быть помещено внутрь частиц, например, кластера в место доставки.
Или изменения в окружающей среде могут быть ощутимы, если система внезапно переключится с роения на формирование цепочек.
«Если вы хотите выполнять задачи микронного масштаба, трудно вставить чип в частицу или запрограммировать такую маленькую частицу», — сказал Хан. "Поэтому необходимо найти самый простой способ контролировать все эти закономерности."