Op atomair niveau, een glas water en een lepel kristallijn zout kunnen er niet anders uitzien. Wateratomen bewegen vrij en willekeurig rond, terwijl zoutkristallen in een rooster op hun plaats zitten. Maar wat nieuwe materialen, onlangs onderzocht door onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een intrigerende neiging vertonen om zich soms als water en soms als zout te gedragen, waardoor ze interessante transporteigenschappen hebben en potentieel veelbelovend zijn voor toepassingen zoals mengen en afleveren in de farmaceutische industrie.

Deze zogenaamde actieve materialen bevatten kleine magnetische deeltjes die zichzelf organiseren in korte ketens van deeltjes, of spinners, en vormen een roosterachtige structuur wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd. "Actieve materialen hebben een externe energiebron nodig om hun structuur te behouden, " zei Argonne materiaalwetenschapper Alexey Snezhko, een auteur van de studie.

In tegenstelling tot eerdere experimenten met actieve materialen, die keek naar deeltjes die lineaire beweging vertoonden, deze nieuwe spinners krijgen een handigheid - zoals rechts- of linkshandigheid - waardoor ze in een specifieke richting draaien.

Deze draaiende rotatie van de opgehangen, zelf-geassembleerde nikkelspinners creëert een draaikolkachtig effect, waarin verschillende deeltjes kunnen worden meegezogen in de wervels die door hun buren zijn gecreëerd. "De deeltjes bewegen niet vanzelf, maar ze kunnen worden gesleept, " zei Snezhko. "Het interessante is dat je deze zeer snel roterende structuren kunt hebben die het uiterlijk geven van een nog groter systeem dat nog steeds, maar het blijft behoorlijk actief."

Als de deeltjes beginnen samen te komen, de draaikolken gecreëerd door de draaiende beweging - in combinatie met de magnetische interacties - trekken ze nog dichterbij, het creëren van een vast kristallijn-achtig materiaal, zelfs als de spinners nog steeds draaien.

De onderzoekers van Argonne wilden weten hoe een niet-spinnerdeeltje door het actieve rooster zou worden getransporteerd. Volgens Snezhko, het snelle wervelen van de spinners zorgt ervoor dat deze andere ladingdeeltjes veel sneller door het rooster kunnen bewegen dan door een normaal materiaal. "In regelmatige verspreiding, het proces om een ​​deeltje van de ene kant van het materiaal naar de andere te krijgen is temperatuurafhankelijk en duurt veel langer, " hij zei.

Het transport van een niet-spinnerdeeltje is ook afhankelijk van de afstand tussen de spinners. Als de spinners voldoende ver uit elkaar staan, het niet-spinnerdeeltje zal chaotisch tussen verschillende spinners reizen, als een vlot dat door een reeks stroomversnellingen vaart. Als de deeltjes in het rooster dichter bij elkaar komen, het niet-spinnerdeeltje kan vast komen te zitten in een individuele cel van het rooster.

"Zodra het deeltje door zijn eigen chaotische beweging een cel binnenkomt, we kunnen het veld aanpassen zodat het rooster iets krimpt, waardoor de kans dat het deeltje die locatie in het rooster verlaat erg klein is, ' zei Snezhko.

Het materiaal toonde ook het vermogen om zichzelf te repareren, vergelijkbaar met een biologisch weefsel. Toen de onderzoekers een gat in het rooster maakten, het rooster hervormd.

Door te kijken naar systemen met puur roterende beweging, Snezhko en zijn collega's denken dat ze systemen kunnen ontwerpen met specifieke transportkenmerken. "Er zijn veel verschillende manieren om een ​​object in een materiaal van punt A naar punt B te krijgen, en dit type zelfassemblage kan worden aangepast aan verschillende dynamieken, " hij zei.

Een paper gebaseerd op de studie, "Herconfigureerbare structuur en afstembaar transport in gesynchroniseerde actieve spinnermaterialen, " verscheen in het nummer van 20 maart van wetenschappelijke vooruitgang .