Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en de Heinrich-Heine Universität Düsseldorf hebben aangetoond dat ontmenging plaatsvindt in systemen die bestaan ​​uit macroscopische deeltjes die in tegengestelde richting draaien en dat deeltjes die met de klok mee of tegen de klok in draaien homogene groepen vormen. De onderzoekers gebruikten voor hun experiment miniatuurrobots die zijn vervaardigd met behulp van 3D-printmethoden. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het fenomeen zelf is bekend. Biologische organismen zoals bacteriën en kunstmatige actieve deeltjes hebben de neiging zichzelf te organiseren in zwermen en patronen. Echter, hoe deze zelforganisatie werkt en welke krachten daarbij komen kijken is nog niet veel onderzocht. Experimenten met de dynamiek van microscopisch kleine deeltjes zijn moeilijk uit te voeren en de reikwijdte van simulaties is beperkt omdat fundamentele interactiemechanismen nog niet worden begrepen.

Trillingen zorgen ervoor dat mini-robots draaien

Natuurkundigen van de FAU en de Universiteit van Düsseldorf hebben nu waargenomen hoe roterende deeltjes zichzelf organiseren tijdens experimenten. Om dit te doen, ze plaatsten kleine robots op een trillende grondplaat. Ze waren ongeveer 1,5 centimeter groot en uitgerust met zeven gekantelde poten die als elastische veren fungeren en de trillingsimpuls omzetten in roterende beweging. Om de interactie te verbeteren, de robotten, vervaardigd met behulp van 3D-printers, waren uitgerust met vier splines waardoor ze zich gedragen als tandwielen die in elkaar grijpen. "Onze opzet is eigenlijk vrij eenvoudig, ", legt prof. Thorsten Pöschel van het Institute of Multiscale Simulation bij FAU uit. "We plaatsten 210 rotors die met de klok mee draaiden en 210 rotors die tegen de klok in draaiden in een ring in een volledig gemengde schaakbordconfiguratie. We zetten de triltafel aan en observeerden wat er gebeurde."

Meshing deeltjes plakken aan elkaar

De onderzoekers waren verrast door de resultaten:enkele domeinen waren al na één minuut duidelijk zichtbaar, en na 15 minuten, de robots waren bijna volledig ontmengd. "Deze segmentering is niet intuïtief, " zegt Dr. Christian Scholz van het Institute for Theoretical Physics II aan de Heinrich-Heine Universität Düsseldorf. "We hadden kunnen verwachten dat deeltjes die in tegengestelde richting draaien bij elkaar blijven omdat hun spiebanen niet in elkaar grijpen - vergelijkbaar met een ketting van roterende tandwielen die roteren afwisselend naar rechts of naar links." Het tegenovergestelde is waar, echter. Rotoren die in dezelfde richting draaien, grijpen in elkaar en vormen groepen. Door de individuele robots te volgen, de onderzoekers observeerden superdiffuse randstromen - deeltjes in de buurt van interfaces zijn mobieler dan die in het midden van de domeinen.

Simulaties bevestigen de resultaten van het experiment

Talloze herhalingen tonen aan dat de resultaten van het experiment zeer robuust zijn:de rotoren hadden na 1000 seconden trillingen meestal drie of vier afzonderlijke domeinen gevormd. Simulaties op basis van Langevin-vergelijkingen laten altijd een volledige ontmenging in twee groepen zien. "Het feit dat de variaties tijdens de tests groter waren dan die in de simulatie, zou kunnen zijn veroorzaakt door onvolkomenheden in de vorm van onze rotors die zijn afgedrukt met 3D-printers en door de invloed van de zwaartekracht, omdat we de vibrerende tafel in een volledig horizontale positie, " legt Prof. Dr. Michael Engel van het Institute of Multiscale Simulation bij FAU uit.

Zowel de experimentele benadering met behulp van fysieke rotors als de Langevin-simulaties zijn zeer geschikt voor het beschrijven van de collectieve dynamiek en de fasescheiding van roterende deeltjes. De onderzoekers hopen een bijdrage te leveren aan verder onderzoek naar actieve zachte materie en microscopische of zelfs moleculaire deeltjes. De resultaten van het project zijn onder de titel 'Roterende robots bewegen collectief en zelforganiserend' gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .