In een nieuwe studie die vorige week werd gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) creëerden kleine wervelende wervelingen uit magnetische deeltjes, inzicht geven in het gedrag dat dergelijke systemen beheerst, wat nieuwe kansen biedt voor materialen en apparaten met nieuwe eigenschappen.

Argonne-fysicus Alexey Snezhko en zijn collega's gaven een stapel kleine magnetische microdeeltjes, elk ongeveer zo groot als de diameter van een mensenhaar, in een schaaltje vloeistof met een holle bodem. Daarna pasten ze een oscillerend magnetisch veld toe en sleutelden aan de parameters, observeren van het gedrag van de deeltjes terwijl ze begonnen te rollen. Met precies de juiste instellingen, de deeltjes vloeiden spontaan samen in een wervelende draaikolk.

"Het is een beetje alsof je willekeurig een stel ballen op een pooltafel gooit, en ze begonnen in een cirkel rond te draaien terwijl ze rolden, " zei Snezhko. "Onze studie omvat het in kaart brengen van dit actieve systeem en zijn gedrag, die nieuwe materialen en apparaten met unieke mogelijkheden zou kunnen inspireren."

De ontdekking is van belang in het groeiende veld genaamd "actieve materie" of "actieve systemen, " waarin groepen individuele agenten energie uit hun omgeving gebruiken om georganiseerde systemen te vormen. Dit beschrijft het gedrag van zwermen vogels, scholen vissen en zelfs de manier waarop onze cellen hun interne structuren opbouwen.

Soortgelijke principes bepalen het gedrag van deze systemen, ondanks hun zeer verschillende samenstelling en oorsprong, en wetenschappers willen deze principes gebruiken om nieuwe actieve materialen te bouwen met unieke eigenschappen, zoals materialen die zichzelf kunnen genezen, hun eigenschappen veranderen als reactie op externe prikkels of nieuwe functionaliteiten bieden.

Bijvoorbeeld, Snezhko zei, de wervels kunnen worden gebruikt om vracht te vervoeren in kleine microfluïdische apparaten - zoals biochips of labs-on-a-chip - of om wervelende vloeistofbewegingen om hen heen te creëren om componenten op microschaal te mengen.

Snezhko en zijn collega's ontdekten ook dat "ruis" van de oppervlakte-imperfecties van deeltjes vaak een sleutel was tot het veroorzaken van het massaal gedrag.

In tegenstelling tot eerdere studies naar soortgelijke systemen in Argonne, die ontdekten, bijvoorbeeld, hoe bewegende slangen uit microdeeltjes te vormen, die alleen aan het oppervlak van een vloeistof kan worden gemonteerd, deze wervels bestaan ​​in bulkvloeistof - op de vaste bodem van een container vol vloeistof. Dit biedt meer veelzijdigheid voor diegenen die kleine machines willen maken met behulp van deze principes.