In De tovenaar van Oz , een tornado pakt het huis van Dorothy op en verplaatst het ver weg. Een beetje ver gezocht, Rechtsaf? Maar wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Department of Energy (DOE) denken dat, op veel kleinere schaal, kleine draaikolken zouden ooit kunnen worden gebruikt om microscopisch kleine deeltjes te verplaatsen.

De wervels kunnen ooit worden gebruikt in lab-on-a-chip-ontwerpen om deeltjes te verplaatsen, zoals bloedcellen, van de ene plaats naar de andere, of om materialen te bouwen met zelfherstellende eigenschappen.

Voordat ze de kleine draaikolken kunnen benutten, Hoewel, wetenschappers moeten begrijpen hoe hun componenten, of colloïdale deeltjes, vorm en functie. Door groepen microscopisch kleine metalen magneetrollen bloot te stellen aan verschillende magnetische velden, Argonne-fysicus Alexey Snezhko en postdoc Gasper Kokot creëren hun eigen draaikolken om dat begrip te versnellen.

"Objecten vervoeren is een verreikend doel, maar we werken aan de eerste stappen, dat is het begrijpen van de basisprincipes, " zei Snezhko. "We doen dit als een zoektocht naar een nieuw soort actief materiaal. Materialen die niet in evenwicht zijn."

Het paar publiceerde recente bevindingen in het nummer van 14 juni van Natuurcommunicatie .

In hun eerste reeks tests, onderzoekers plaatsten ongeveer 100 minuscule magnetische nikkelrollers, of bollen, in een watermatrix blootgesteld aan een magnetisch veld met één as, gevolgd door een wisselend magnetisch veld.

"Elk deeltje is als een klein kompas, " legde Snezhko uit. "En we gebruiken een magnetisch veld om energie over te dragen."

Binnen het enkele magnetische veld, de rollen stonden in een rij alsof ze inderdaad deel uitmaakten van een kompasnaald, maar bij blootstelling aan een magnetisch veld dat 60 keer per seconde van richting veranderde, de rollen stroomden in plaats daarvan samen en vormden draaikolken.

In de experimenten, de wervels mochten vrij bewegen in de watermatrix, waar onderzoekers hun natuurlijk gedrag bestudeerden. Bij blootstelling aan het flipping magnetische veld, de deeltjes draaiden ook om en begonnen te rollen.

"Dit is het enige bekende systeem waar we dit soort rollen en zelforganisatie hebben gezien met dit stroomopwaartse gedrag, " zei Kokot. "De groep beweegt als één, net als een zwerm vogels."

Terwijl de deeltjes samenvloeien, het systeem vormt spontaan een draaikolk, maar de vortex heeft ook enkele vreemde eigenschappen, zoals onverklaarbaar van richting veranderen. In hun studie hebben de vortex wisselde gemiddeld eens per 160 minuten van draairichting.

"We willen graag weten waarom hij schakelt, wat regelt de snelheid van schakelen, ", zei Kokot. "Want als we het kunnen beheersen, we kunnen beginnen te praten over nut."

De onderzoekers vermoeden dat de magnetische deeltjes met elkaar kunnen praten op een manier die vergelijkbaar is met vogels om elkaar tijdens de vlucht te ontwijken. En de hoop is dat wetenschappers de kennis uiteindelijk kunnen gebruiken om zelf structuren te assembleren en te transporteren in de microscopische wereld.

Er moet nog veel meer worden bestudeerd voordat wetenschappers de wervels volledig zullen begrijpen of kunnen beheersen. maar Snezhko zei dat hij denkt dat, eventueel, ze kunnen worden gebruikt als een pincet, het verplaatsen van niet-metalen deeltjes in en uit een vloeibare matrix.

"Deze vortex interageert met deeltjes door vloeistof, " zei hij. "Het kan een deeltje binnenin vangen en verplaatsen."

Maar het is geen one-size-fits-all oplossing, zei Kokot. Deeltjes die getransporteerd worden, moeten de juiste maat hebben. Als ze te klein zijn, ze worden opgenomen in het lichaam van de vortex en vertragen het. En als ze te groot zijn, ze vernietigen de draaikolk. Alleen het deeltje van de juiste grootte wordt in het oog van de vortexkern gevangen en getransporteerd. Het is misschien ook mogelijk om een ​​deeltje te gebruiken om een ​​draaikolk op zijn plaats te houden, waar het voorbijstromende deeltjes kan vasthouden of opvangen, zei Snezhko.

"Eventueel, naarmate u deze wervels beter onder controle krijgt, je kunt ze gebruiken om vracht te vangen en over een oppervlak te verplaatsen, " zei Snezhko. "Op dit moment, we kunnen een deeltje vangen, maar we kunnen het niet sturen. Dus dat op een meer gecontroleerde manier doen, is iets om naar te kijken."

Voor nu, de onderzoekers blijven experimenteren met een reeks magnetische veldtypen om te zien hoe de rollen reageren in verschillende omgevingen en nieuwe en misschien complexere reacties en controles uitlokken.