Aangedreven colloïden zijn uitstekende modelsystemen om opkomende structuren uit evenwicht te onderzoeken, complexe collectieve dynamiek en ontwerpregels voor materialen van de volgende generatie. In een nieuw rapport Koohe Han en een onderzoeksteam hebben ferromagnetische microdeeltjes opgehangen aan een lucht-water-interface en ze van energie voorzien met een extern roterend magnetisch veld om dynamische ensembles van gesynchroniseerde spinners te vormen. Elke spinner genereerde sterke hydrodynamische stromen met collectieve interacties tussen meerdere spinners om dynamische roostervorming te bevorderen. Met behulp van experimenten en simulaties onthulden ze structurele overgangen van vloeibare naar bijna kristallijne toestanden, het demonstreren van de herconfigureerbare aard van dynamische spinnerroosters. De materialen vertoonden zelfherstellend gedrag en vervoerden ingebedde inerte ladingdeeltjes, afgestemd door de parameters van externe excitatie. De bevindingen zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , en inzicht verschaffen in het gedrag van actieve spinnermaterialen met herconfigureerbare structurele volgorde en afstembare functionaliteiten.

Deeltjes die niet in evenwicht zijn, kunnen ontwerpregels toewijzen aan herconfigureerbare materialen van de volgende generatie vanwege hun potentieel om zichzelf te organiseren. Wetenschappers kunnen de parameters van het excitatieveld controleren die zijn gebaseerd op een externe energie-instroom van een elektrisch of magnetisch veld om de dynamische en collectieve respons van geactiveerde deeltjes in een gereguleerd proces te veranderen. Deze veldgestuurde actieve systemen zijn veelbelovende kandidaten voor toepassingen in waterzuivering en gerichte medicijnafgifte door hun transporteigenschappen op aanvraag af te stemmen. Recent onderzoek heeft zich gericht op zelfrijdende deeltjes, variërend van dynamische ketens en clustering tot flocking en actieve turbulentie. Het onderzoeken van dynamische zelfassemblage van colloïdale deeltjes kan een robuuste techniek bieden om grote ensembles van microscopische spinners te genereren. Deze spinners zijn geen gemakkelijke bouwstenen voor dynamische montage omdat ze in willekeurige richtingen draaien en uiteenvallen.

Om een ​​betere controle en afstembaarheid van het actieve spinnermateriaal te krijgen, het team ontwikkelde een systeem van synchroon meedraaiende zelf-geassembleerde spinners die stabiel en efficiënt gekoppeld zijn door middel van zelf-geïnduceerde hydrodynamische stromingen. In dit werk, Han et al. rapporteerde de dynamische vorming van zwermen van gesynchroniseerde en zelf-geassembleerde spinners van ferromagnetische nikkel (Ni) -deeltjes gesuspendeerd aan een lucht-water-interface en geactiveerd met een in het vlak roterend magnetisch veld. De zelf-geassembleerde spinners genereerden sterke hydrodynamische stromen om een ​​reeks collectieve dynamische fasen te veroorzaken. Han et al. gecombineerde experimenten en simulaties om structurele en transporteigenschappen van deze actieve spinnermaterialen te onderzoeken, de bevindingen zullen inzicht verschaffen in eigenschappen van synthetische actieve spinnermaterialen voor deeltjestransport en manipulatie op microschaal.

Het team paste een statisch magnetisch veld toe loodrecht op de lucht-waterinterface om dynamische zelfassemblage van spinners uit gesuspendeerde ferromagnetische nikkeldeeltjes mogelijk te maken. Ze activeerden het systeem met behulp van een extern roterend magnetisch veld dat in het vlak met de interface werd aangebracht. De zelfassemblage van spinners was volledig omkeerbaar en gecontroleerd via parameters van het externe veld, om door magnetische velden aangedreven spinners met meerdere deeltjes te assembleren tot bijna roosterachtige structuren. De in de experimenten en simulaties beschreven magnetische spinners verschilden op twee belangrijke punten van eerder ontworpen roterende schijven. specifiek, (1) magnetische aantrekkingskracht tussen de deeltjes was sterk genoeg om de afstoting te overwinnen en kettingen te vormen, en (2) de hoge anisotropie van spinners zorgde ervoor dat het stromingsveld periodiek in de tijd kon variëren.

Han et al. merkte grote ensembles van de gesynchroniseerde zelf-geassembleerde spinners op om dynamische zelforganisatie te vertonen en berekende de hexagonale binding-georiënteerde volgorde om de lokale ordening van de spinners te kwantificeren. Veranderingen in de gemiddelde waarde van de hexagonale bindingsvolgorde parameters van spinnerroosters onthulden een duidelijke overgang van de vloeibare fase naar de kristallijne fasen met toenemende spinnerdichtheid. Bij lage dichtheid, de spinners behielden vloeistofachtig gedrag - naarmate de dichtheid toenam, ze werden meer beperkt in hun beweging om zelfgeorganiseerde spinnerroosters te vormen.

De simulaties legden op dezelfde manier de vloeistofachtige volgorde van spinners vast bij lage dichtheden, hoewel hun overgang naar vaste stoffen niet zo uitgesproken was in vergelijking met de experimenten. Om de structurele volgorde van de dynamische spinnerroosters in detail verder te onderzoeken en te karakteriseren, het team analyseerde de relatieve posities van de spinners binnen het ensemble en observeerde dat de spinners zichzelf organiseerden in roosters met goed gedefinieerde frequentieafhankelijke afstanden tussen de spinners bij hoge dichtheden. De roosters van gesynchroniseerde spinners vormden een nieuwe klasse van actieve kristallen, vergezeld van een krachtig wervelend stromingsveld. De zelfgeorganiseerde spinroosters behielden het zelfgenezend vermogen, die Han et al. aangetoond door opzettelijk het spinnerrooster te vernietigen met een grote glazen kraal die door de interface ging - zodra de kraal door de interface was gegaan, de aangetaste plek herstelde zichzelf in een paar seconden.

De sterke zelf-geïnduceerde onderliggende hydrodynamische stromingen wezen op de mogelijkheid voor een rooster van gesynchroniseerde spinners om passieve ladingdeeltjes effectief te transporteren. Om dit te karakteriseren, de wetenschappers bepaalden de diffusiecoëfficiënt voor een passief niet-magnetisch deeltje dat in een dynamisch spinnerrooster is geplaatst door de gemiddelde vierkante verplaatsing (MSD) te volgen. Ze noemden deeltjestransport actieve diffusie, omdat de resultaten orden van grootte groter waren dan die overeenkomen met passieve thermische Brownse beweging. Ze stemden de actieve diffusiecoëfficiënt efficiënt af op basis van de externe veldfrequentie. Het gedrag van het systeem droeg bij aan veranderingen in de spinner-spinner-afstanden binnen het rooster om een ​​kooieffect te vormen op een passieve ladingkraal en te voorkomen dat deze de cel verlaat. Net als bij de experimenten, de simulaties toonden verbeterde beweging en diffusie voor kleine en grote tracerdeeltjes, echter, Han et al. hebben tijdens de simulatie geen frequentieafhankelijkheid voor de diffusiecoëfficiënt waargenomen in vergelijking met experimenten. De wetenschappers stellen daarom voor om driedimensionale (3D) simulaties te gebruiken om de oorsprong van de waargenomen discrepantie te verduidelijken.

Op deze manier, Koohe Han en collega's rapporteerden de resultaten van structurele en transporteigenschappen van een nieuw actief materiaal bestaande uit zelf-geassembleerde, gesynchroniseerde spinners. Ze hingen ferromagnetische microdeeltjes op een lucht-waterinterface voor dynamische zelfassemblage in meerdere spinners, aangedreven door een roterend magnetisch veld dat op de interface werd aangelegd. De activiteit van het systeem is ontstaan ​​door de roterende beweging van spinners, in tegenstelling tot conventionele actieve systemen die zijn samengesteld uit zelfrijdende eenheden. Collectieve interacties tussen spinners maakten de vorming mogelijk van nieuwe dynamische fasen, waaronder spinnervloeistoffen en zelfgeorganiseerde roosters die actieve diffusie ondersteunden door middel van robuuste, zelf gegenereerde hydrodynamische stromen, naast zelfgenezend gedrag. Het team toonde de mogelijkheid om inerte ladingdeeltjes te vervoeren binnen zelfgeorganiseerde actieve spinnerroosters met afstandsbediening en manipulatie. Deze toepassingen van gesynchroniseerde spinnerzwermen zullen nieuwe mogelijkheden bieden om zelf-geassembleerde structuren en afstembaar transport in actieve materialen op microschaal te ontwerpen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk