science >> Wetenschap >  >> Fysica

Zelfrijdende deeltjes kunnen condenseren door te draaien en naar drukke gebieden te bewegen

Als waterdamp op de badkamerspiegel, gasmoleculen komen samen en condenseren tot vloeistofdruppels vanwege de aantrekkende krachten ertussen. In een studie gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers hebben ontdekt dat actieve deeltjes kunnen condenseren door te draaien en naar drukke gebieden te bewegen. Hier, een microscoopopname toont een cluster van zelfrijdende deeltjes, kleurgecodeerd volgens hun afstand tot het centrum. Krediet:Jie Zhang, Ricard Waarschuwing, Jing Yan, Ned S. Wingreen en Steve Granick

We zien dagelijks condensatie van waterdamp tot vloeibare druppeltjes, zij het als dauwdruppels op bladeren of als druppeltjes op het deksel van een kookpot. Sinds het werk van de Nederlandse natuurkundige J.D. van der Waals in de 19e eeuw, Men heeft begrepen dat condensatie het gevolg is van aantrekkingskrachten tussen de moleculen van een vloeistof.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw condensatiemechanisme ontdekt:zelfs als ze elkaar niet aantrekken, zelfrijdende deeltjes kunnen condenseren door naar dichte gebieden te draaien, waar ze zich ophopen. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .

"Het is alsof auto's naar drukke gebieden stuurden en de menigte nog groter maakten, " legde Steve Granick uit, directeur van het IBS Center for Soft and Living Matter in Ulsan, Zuid-Korea. Zelfrijdende deeltjes hebben interne motoren waardoor ze zelfstandig kunnen bewegen. Voorbeelden zijn bacteriën, zoogdiercellen, en zelfs mensen. Systemen van zelfrijdende deeltjes zijn een voorbeeld van actieve materie - een groeiend onderzoeksgebied.

In het afgelopen decennium, onderzoekers hebben geprobeerd condensatie te begrijpen, of vloeistof-gasfasescheiding, in actieve materie. Vroeg werk onthulde dat, in tegenstelling tot passieve vloeistofmoleculen, zelfrijdende deeltjes kunnen condenseren, zelfs als ze elkaar niet aantrekken.

Eerder werk toonde aan dat "beweeglijke deeltjes met elkaar botsen en een tijdje in de botsing blijven steken, andere deeltjes laten meedoen en een verkeersopstopping veroorzaken, " zei Ricard Alert, een postdoctoraal onderzoeker aan het Princeton Centre for Theoretical Science en een van de co-eerste auteurs van de nieuwe studie.

Als waterdamp op de badkamerspiegel, gasmoleculen komen samen en condenseren tot vloeistofdruppels vanwege de aantrekkende krachten ertussen. In een studie gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers hebben ontdekt dat actieve deeltjes kunnen condenseren door te draaien en naar drukke gebieden te bewegen. Hier, zelfrijdende deeltjes condenseren tot druppelachtige clusters omgeven door een verdunde gasfase. Krediet:Jie Zhang, Ricard Waarschuwing, Jing Yan, Ned S. Wingreen en Steve Granick

"In deze systemen de deeltjes vallen uiteen in twee fasen:dichte clusters waar ze nauwelijks kunnen bewegen, en een verdund gas waar ze snel bewegen, " legde Ned Wingreen uit, Howard A. Prior Professor van Princeton University in de Life Sciences.

In het nieuwe werk het onderzoeksteam bestudeerde zelfrijdende deeltjes die in het laboratorium werden gesynthetiseerd. "We namen microscopisch kleine glazen bollen en bedekten een halve bol met een dunne metalen laag, " legde Jie Zhang uit, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara, ONS., en een co-eerste auteur van de studie.

De deeltjes hebben een glazen oppervlak en een metalen oppervlak; ze staan ​​bekend als Janus-deeltjes ter ere van de Romeinse god met twee gezichten.

Toen de onderzoekers een elektrisch veld toepasten, de deeltjes begonnen te rennen met hun glazen voorkant en hun metalen voorkant aan de achterkant. Zoals verwacht, de deeltjes begonnen onmiddellijk te condenseren tot clusters. Echter, de onderzoekers waren verrast om te zien dat, in tegenstelling tot dichte files, deeltjes in de clusters bleven snel bewegen.

"In plaats van vastgelopen, de clusters wemelden van de deeltjes die continu in en uit bewogen, " zei Zhang. "Deze bevinding was zowel opwindend als intrigerend."

Als waterdamp op de badkamerspiegel, gasmoleculen komen samen en condenseren tot vloeistofdruppels vanwege de aantrekkende krachten ertussen. In een studie gepubliceerd in Natuurfysica , onderzoekers hebben ontdekt dat actieve deeltjes kunnen condenseren door te draaien en naar drukke gebieden te bewegen. Hier, een microscoopopname toont een cluster van zelfrijdende deeltjes, kleurgecodeerd volgens hun afstand tot het centrum. De deeltjes bewegen snel door het cluster terwijl sommige deeltjes het verlaten en nieuwe deeltjes erbij komen. Krediet:Jie Zhang, Ricard Waarschuwing, Jing Yan, Ned S. Wingreen en Steve Granick

De waarneming betekende dat langzamere beweging van deeltjes in clusters condensatie in dit geval niet kon verklaren, wat het team ertoe bracht een theorie te ontwikkelen voor het collectieve gedrag van actieve Janus-deeltjes. Het team ontdekte dat in plaats van vast te zitten als in een verkeersopstopping, deeltjes roteren naar dichte gebieden. De deeltjes heroriënteren zich en stuwen zichzelf vervolgens naar de menigte.

"Dit is een nieuw condensatiemechanisme dat gebaseerd is op hoe deeltjes elkaar heroriënteren, "zei Alert. "Deze bevinding brengt een nieuw idee in het veld, waaruit blijkt dat niet alleen krachten, maar ook koppels condensatie en vloeistof-gasfasescheiding kunnen veroorzaken."

Het nieuwe mechanisme zorgt ervoor dat deeltjes zelfs in dichte clusters kunnen blijven bewegen. De onderzoekers zijn daarom hoopvol dat hun bevindingen een leidraad zullen zijn voor toekomstig werk om zelf dynamische groepen van actieve agenten samen te stellen, van microscopisch kleine deeltjes tot mensen en robots, die snel een cluster binnenkomen en verlaten.

"Zo'n snelle omzet zou nuttig kunnen zijn als een strategie voor een efficiënte uitwisseling van informatie tussen individuen in een groep, ' zei Granick.