Reizende golven worden vaak waargenomen in biologische en synthetische systemen, en recente ontdekkingen hebben aangetoond hoe zilvercolloïden bewegende bewegingsgolven vormen in waterstofperoxide onder UV-licht. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , toonden Xi Chen en een team van onderzoekers op het gebied van slimme materialen, fysica en optica aan het Harbin Institute of Technology en de Shanghai Jiao Tang University in China de colloïdale bewegingsgolf als een heterogeen exciteerbaar systeem.

De zilvercolloïden genereerden reizende chemische golven via reactiediffusie en waren ofwel zelfaangedreven of advecteerd via diffusie of osmose. Het team observeerde de fundamentele resultaten met behulp van hydroxide- en pH-gevoelige kleurstoffen en gebruikte een Rogers-McCulloch-model om de karakteristieke kenmerken van colloïdale golven kwantitatief en kwalitatief te produceren. De resultaten maken de weg vrij om colloïdale golven te integreren als een platform om niet-lineaire fenomenen te bestuderen, en om colloïdaal transport te onderzoeken om informatieoverdracht in biomimetische microrobot-ensembles te onderzoeken.

Biologische oscillatie vertalen in het lab

Oscillerende processen worden algemeen waargenomen in levende systemen, variërend van het circadiane ritme tot cytosolische oscillaties. De koppeling tussen oscillerende eenheden kan leiden tot synchronisatie die aanleiding geeft tot reizende golven, zoals waargenomen met calciumgolven die zich over een bevruchte eicel verspreiden, actiepotentialen die zich voortplanten over kloppende hartcellen, mitotische toestanden en golven van zelforganiserende amoeben. Biofysici proberen de fysisch-chemische aard van deze golven te begrijpen om de onderliggende trends in het leven te onderzoeken. Recente ontdekkingen van de fotochemisch actieve, zilverbevattende oscillerende colloïden zijn een opwindende toevoeging aan de familie van niet-lineaire processen.

Toen onderzoekers een inert polymeer microbolletje, half bedekt met zilver, onderdompelden in een waterige oplossing van waterstofperoxide of kaliumchloride en deze blootstelden aan lichtbronnen, merkten ze de weergave van pulsen op. Ze stelden voor dat de zilveren nanodeeltjes die tijdens het experiment werden geproduceerd, dienden als katalytische hotspots om verdere reacties mogelijk te maken. Ongeacht het chemische detail, merkte het team op hoe diffusie van chemicaliën de Janus-deeltjes voortstuwde via zelf-diffusioforese, om aanleiding te geven tot vergelijkbare colloïdale beweging. In dit werk boden Chen et al een eerste kijk op het genereren van de chemisch actieve colloïden en volgden hun reactie op chemische golven buiten de klassieke reactie-diffusiesystemen. De resultaten bieden sterke mogelijkheden voor translationeel onderzoek dat actieve materie verbindt met niet-lineaire wetenschap om zwermen biomimetische microscopische machines te reguleren.

Het team merkte de ontwikkeling op van periodieke colloïdale bewegingsgolven in gesynchroniseerde voortplanting. Ze hadden eerder ballistische golven geregistreerd bij een gemiddelde bevolkingsdichtheid, waarbij geactiveerde colloïden aan het golffront in alle richtingen bewogen vanwege foretische zelfvoortstuwing. De onderzoekers merkten de opkomst op van kwalitatief verschillende soorten golven, bekend als zwermgolven bij nog hogere bevolkingsdichtheden. In dit geval ontwikkelde het team polymethylmethacrylaatmicrosferen die half bedekt waren met zilver (PMMA-Ag), gesuspendeerd in waterstofperoxide en kaliumchloride en verlicht met 365 nm licht. Het colloïdale deeltje dat zilver bevat zou in principe zwermgolven kunnen uitzenden. De experimentele resultaten gaven een resultaat aan dat vergelijkbaar was met de "Mexicaanse golf" die te zien is in voetbalstadions. Het team kwantificeerde vervolgens de zwermgolf via single-particle tracking en micro-particle beeldsnelheidsmeting door de colloïdale deeltjes als flowtracers te beschouwen. In dit geval reisde de golf met een snelheid van 16 µm/s, met afstembare parameters. Veranderingen in lichtintensiteit veranderden slechts in geringe mate de periode en snelheden van een zwermende golf. The team distinguished the swarming waves from ballistic waves via their characteristic mobility and physicochemistry

Chemical waves:The physicochemical nature of a colloidal wave

Chen et al described the physicochemical nature of the activation and recovery of colloidal waves. Since the wave phenomenon is inspired by traveling waves in reaction-diffusion systems, they hypothesized colloidal waves to be underpinned by a traveling chemical wave, due to reaction-diffusion mechanisms. For instance, hydrogen peroxide can decompose faster in higher pH to form a burst of highly oxidative intermediates that oxidized silver into silver chloride. The resulting chemical reactivity activated the silver-colloid to release a burst of chemicals to maintain chemical wave propagation. They confirmed the production of hydroxide anions during silver oxidation, and the formation of hydrogen cations during silver chloride photodecomposition, at and behind the chemical wavefront by using fluorescence mapping and pH measurements.

Colloids respond to a chemical wave:Modeling a reaction-diffusion colloidal wave

The scientists next studied the dynamics of colloidal particles in a chemical wave to dictate the type of colloidal wave formed. They noted ionic self-diffusiophoresis, and at higher ionic densities they noted weaker electro-kinetic effects for reduced self-propulsion. They identified the dynamics of neutral diffusio-osmosis dynamics, which moved colloid particles via advection, in addition to self-propagation. As self-propagation weakened and diffusio-osmosis intensified in a crowded solution with rising ionic strength, the colloidal wave switched to swarming wave. The team observed a range of effects, including electrokinetic effects, advection support via osmosis, and self-propulsion during the experiments. Chen et al next reproduced and corroborated the proposed reaction-diffusion colloidal wave via numerical simulations. At the first step, they used the Rogers-McCulloch model to simulate a chemical wave, the resulting numerical models qualitatively reproduced key features, to explore the dynamics of colloidal waves.

In this way, Xi Chen and colleagues developed a numerical model to simulate colloidal waves to study the heterogeneity of chemical waves. The outcomes showed good agreement with simulations and experiments to provide key insights to understand microscopic details of chemical waves in experimental systems. Colloidal waves can be integrated with optical tweezers, acoustofluidics or microfluidics to regulate micro- and nanoscopic objects in space and time. The method is useful to swarm physicochemical dynamics of a colloidal wave and can lead to develop wave-mediated information transmission systems to examine autonomous micro-robots. The colloidal waves present a good model system of reaction-diffusion processes at mesoscopic and microscopic scales. + Verder verkennen

Axisymmetric 'spike waves' far exceed limits previously thought to dictate maximum height of ocean waves

© 2022 Science X Network