Een uitdagende grens in wetenschap en techniek is het beheersen van materie buiten het thermodynamisch evenwicht om materiële systemen te bouwen met capaciteiten die wedijveren met die van levende organismen. Onderzoek naar actieve colloïden is gericht op het creëren van "deeltjes" op micro- en nanoschaal die door viskeuze vloeistoffen zwemmen, zoals primitieve micro-organismen. Wanneer deze zelfrijdende deeltjes samenkomen, ze kunnen zich organiseren en bewegen als scholen vissen om robotfuncties uit te voeren, zoals het navigeren in complexe omgevingen en het afleveren van "vracht" op gerichte locaties.

Een Columbia Engineering-team onder leiding van Kyle Bishop, hoogleraar chemische technologie, loopt voorop bij het bestuderen en ontwerpen van de dynamiek van actieve colloïden aangedreven door chemische reacties of door externe magnetische, elektrisch, of akoestische velden. De groep ontwikkelt colloïdale robots, waarin actieve componenten op elkaar inwerken en samenkomen om dynamische functies uit te voeren die zijn geïnspireerd op levende cellen.

In een nieuwe studie die vandaag is gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven , groep van de bisschop, werken met medewerkers van het Centre for Bio-Inspired Energy Science (CBES) van de Northwestern University, rapporteren dat ze het gebruik van DC-elektrische velden hebben aangetoond om heen en weer te draaien van microdeeltjes in elektrische grenslagen. Deze deeltjesoscillatoren kunnen nuttig zijn als klokken die de organisatie van actieve materie coördineren en zelfs, misschien, orkestreren van de functies van robots op micronschaal.

"Kleine deeltjesoscillatoren kunnen nieuwe soorten actieve materie mogelijk maken die het zwermgedrag van zelfrijdende colloïden en het synchronisatiegedrag van gekoppelde oscillatoren combineren, ", zegt Bishop. "We verwachten dat interacties tussen de deeltjes afhangen van hun respectievelijke posities en fasen, waardoor rijker collectief gedrag mogelijk wordt - gedrag dat kan worden ontworpen en geëxploiteerd voor toepassingen in zwermrobotica."

Het maken van een betrouwbare klok op micronschaal is niet zo eenvoudig als het klinkt. Zoals men zich kan voorstellen, slingerklokken werken niet goed wanneer ze in honing worden ondergedompeld. Hun periodieke beweging - zoals die van alle traagheidsoscillatoren - komt tot stilstand onder voldoende weerstand van wrijving. Zonder de hulp van traagheid, het is eveneens een uitdaging om de oscillerende beweging van deeltjes op micronschaal in viskeuze vloeistoffen aan te drijven.

"Onze recente waarneming van colloïdale bollen die heen en weer oscilleren in een elektrisch gelijkstroomveld, presenteerde een beetje mysterie, een die we wilden oplossen, " merkt de hoofdauteur van het artikel op, Zhengyan Zhang, een doctoraat student in Bishop's lab die dit effect ontdekte. "Door de deeltjesgrootte te variëren, veldsterkte, en vloeistofgeleiding, we hebben experimentele omstandigheden geïdentificeerd die nodig zijn voor oscillaties en hebben het mechanisme blootgelegd dat ten grondslag ligt aan de ritmische dynamiek van de deeltjes."

Eerder werk heeft aangetoond hoe vergelijkbare deeltjes gestaag kunnen roteren door een proces dat bekend staat als Quincke-rotatie. Als een waterrad gevuld van bovenaf, de Quincke-instabiliteit wordt veroorzaakt door de accumulatie van elektrische lading op het deeltjesoppervlak en de mechanische rotatie ervan in het elektrische veld. Echter, bestaande modellen van Quincke-rotatie - en van overgedempte waterwielen - voorspellen geen oscillerende dynamiek.

Deze nieuwe studie karakteriseert en verklaart de "mysterieuze" oscillaties door te verwijzen naar een grenslaag in de niet-polaire elektrolyt. Binnen deze laag is vaak genegeerd door onderzoekers, ladingsdragers worden gegenereerd en migreren vervolgens weg onder invloed van het elektrische veld. Deze processen introduceren ruimtelijke asymmetrieën in de snelheden van ladingsaccumulatie aan het deeltjesoppervlak. Als een waterrad waarvan de emmers aan de bovenkant sneller lekken dan aan de onderkant, asymmetrische oplading kan bij hoge veldsterkten tot heen-en-weer-rotatie leiden.

"De beperkte generatiesnelheid van ladingen in deze zwakke elektrolyten creëert een grenslaag die vergelijkbaar is met de grootte van een deeltje onder een sterk elektrisch veld, zoals numeriek gevonden door mijn Ph.D. student Hang Yuan, een co-auteur van het werk. Als resultaat, de 'geleiding' van ionen rond deeltjes die zich binnen de grote grenslaag bevinden is niet constant, wat leidt tot de waargenomen oscillaties bij sterke elektrische velden, " zegt Monica Olvera de la Cruz, Advocaat Taylor Hoogleraar Materials Science and Engineering, Chemie en (met dank aan) Chemische en Biologische Engineering, Natuurkunde en Sterrenkunde bij Northwestern Engineering.

"Dit werk toont een manier om oscillatoren te genereren, wat zou kunnen leiden tot het ontstaan ​​van coöperatieve verschijnselen in vloeistoffen, " zij voegt toe.

Het team experimenteerde met verschillende vormen van deeltjes en ontdekte dat ze oscillaties konden genereren met alle deeltjes, op voorwaarde dat hun grootte vergelijkbaar was met die van de grenslaag.

"Door de veldsterkte en/of de elektrolyt af te stemmen, we de frequentie van deze `Quincke-klokken voorspelbaar kunnen regelen, '" voegt Bishop toe. "Ons artikel maakt het ontwerp mogelijk van nieuwe vormen van actieve materie op basis van verzamelingen van mobiele oscillatoren."

Het team bestudeert momenteel het collectieve gedrag dat ontstaat wanneer veel Quincke-oscillatoren bewegen en met elkaar interageren.