Toen Erik Luijten van Northwestern Engineering Zbigniew Rozynek ontmoette, ze werden onmiddellijk verenigd door een mysterie.

Presenteren op een conferentie in Noorwegen, Rozynek, een onderzoeker aan de Adam Mickiewicz Universiteit in Pozna?, Polen, demonstreerde iets dat bijna op magie leek. Toen hij een naaldvormige elektrode in een mengsel van microngrote, bolvormige metaaldeeltjes gedispergeerd in siliconenolie, een bol plakte aan zijn einde. Toen Rozynek de elektrode uit de dispersie trok, een andere bol bevestigd aan de eerste bol, en dan nog een naar de tweede sfeer, enzovoort, totdat er een lange ketting ontstond.

"De bollen gedroegen zich als magnetische kralen, behalve dat er geen magnetisme bij betrokken was, zei Luijten, hoogleraar materiaalkunde en techniek en techniek en toegepaste wiskunde aan de Northwestern's McCormick School of Engineering. "De deeltjes hebben niet de neiging om te clusteren. Ik realiseerde me dat er iets ingewikkelders aan de hand was."

Rozynek, samen met zijn medewerkers Filip Dutka, Pjotr ​​Garstecki, en Arkadiusz Józefczak, en Luijten voegden zich bij hun teams om het fenomeen te begrijpen dat deze ketens heeft veroorzaakt. Hun ontdekking zou kunnen leiden tot een nieuwe generatie elektronische apparaten en een snelle, eenvoudige methode om tweedimensionale elektronische schakelingen te schrijven.

"Onze wetenschappelijke resultaten zouden andere gebieden voor toekomstig onderzoek kunnen openen - zowel fundamenteel als toegepast, "Zei Rozynek. "We werken al aan vervolgprojecten op basis van onze ontdekking."

Ondersteund door de Stichting voor Poolse Wetenschap, Pools Nationaal Wetenschapscentrum, en de Amerikaanse National Science Foundation, het onderzoek is vandaag online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Rozynek en Luijten zijn co-corresponderende auteurs. Rozynek is ook co-eerste auteur met Ming Han, een promovendus in het Computational Soft Matter Lab van Luijten.

Rozynek en Han hebben meerdere berekeningen uitgevoerd, laat zien hoe het elektrische veld van de elektrode de eigenschappen van de deeltjes veranderde. Wanneer de elektrode in de colloïdale oplossing wordt gedompeld, zijn geladen punt polariseert elke bol. Deze geïnduceerde dipolaire interacties zorgen ervoor dat de bollen aan elkaar worden gekoppeld. Een resulterende ketting kan honderdduizenden bollen bevatten, tot 30 centimeter lang.

Nadat het team het mysterie had opgelost over hoe de kettingen werden gevormd, het had een tweede mysterie om aan te pakken. "Een ander fascinerend aspect is dat zodra we de ketting uit de vloeistof trokken, we hoefden niet langer een elektrisch veld aan te leggen om de structuur van de ketting vast te houden, "Zei Han. "Nadat het veld was uitgeschakeld, de stabiele deeltjesketen bleef stabiel."

Na maanden van onderzoek, De teams van Luijten en Rozynek ontdekten dat de kettingen hun structuur behielden door vloeibare "bruggen" tussen aangrenzende deeltjes. Toen onderzoekers de ketting uit de vloeistof trokken, siliconenolie klampte zich vast aan de zijkanten van elk deeltje, het vormen van een omhulsel rond de hele keten en het intact houden ervan.

"Oppervlaktespanning speelt hier een grote rol, "Zei Han. "De vloeibare brug zorgde ervoor dat de deeltjes aan elkaar plakten. De fysica hier is echt interessant. De meeste mensen zouden denken dat als je de structuur wilt behouden, dan zou je het elektrische veld moeten toepassen. Maar dat is in ons systeem niet nodig."

Zodra de flexibele ketting uit de vloeistof is getrokken, het kan onmiddellijk over een oppervlak worden gesleept en worden gedeponeerd om een ​​patroon te creëren. De onderzoekers denken dat deze methode kan worden gebruikt als een alternatieve manier om eenvoudige, tweedimensionale elektronische schakelingen. Als gesmolten was wordt gebruikt in plaats van siliconenolie, dan kan de methode ook worden gebruikt om driedimensionale structuren te bouwen die hun vorm behouden wanneer de was afkoelt en hard wordt.

"Hoe eenvoudig ook, onze methode voor het vervaardigen van colloïdale structuren is zeer elegant en kan voor veel toepassingen worden gebruikt, "Rozynek zei, "inclusief fabricage van geleidende paden op verschillende te gebruiken substraten, bijvoorbeeld, in elektronische toepassingen."

Luijten en Rozynek geloven dat het oplossen van dit mysterie de deur zou kunnen openen voor toepassingen die ze vandaag niet kunnen voorspellen. Door te begrijpen hoe de methode werkt, ze kunnen beter inschatten hoe verschillende soorten vloeistoffen of spanningsniveaus de kettingen kunnen beïnvloeden en de uitkomst kunnen veranderen.

"Begrijpen hoe het werkt, maakt het zoveel gemakkelijker om te manipuleren en te optimaliseren, Luijten. "We kunnen zeggen of de methode beter of slechter zal werken als de deeltjes groter zijn of als het elektrische veld sterker is. Dat kan alleen omdat we het begrijpen. Anders, je zou een eindeloze reeks combinaties moeten onderzoeken."