De onderzoekers toonden aan dat ze een pincet konden gebruiken die lijkt op een optisch pincet – zeer gerichte lasers die kunnen worden gebruikt om rond atomen en andere microscopische en submicroscopische materialen te bewegen – om de topologische defecten van de vloeistoffen te manipuleren en te controleren hoe deze actieve vloeistoffen stromen. De studie, geleid door U-M-natuurkundige Suraj Shankar, is gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

Je kunt een actieve vloeistof beschouwen als een zwerm vogels, zegt Shankar. In een geruis, een enorme wolk spreeuwen, zullen de vogels eenstemmig draaien en draaien, waardoor vormen van de wolk ontstaan. Maar terwijl het geruis eruit ziet alsof het als één organisme beweegt, wordt de beweging gemaakt door individuele vogels, aangedreven door hun individuele vleugels.

Op dezelfde manier zijn actieve vloeistoffen samengesteld uit individuele componenten, zoals bacteriën in water of atomen in een kristal, maar elke eenheid beweegt op zichzelf als ze met licht wordt beschenen of via een chemische reactie "voedsel" krijgt, aldus Shankar. Onderzoekers hebben bacteriën eerder zo ontworpen dat wanneer ze licht op de bacteriën schijnen, sommige bacteriën in de vloeistof sneller zwemmen en andere langzamer.

"En je kunt dat patroon veranderen zoals je wilt. Door de snelheid te veranderen waarmee de bacteriën lokaal zwemmen, kun je gezichten van beroemde mensen schilderen, of het veranderen en een landschap maken", zegt Shankar, assistent-professor natuurkunde aan de U-M.

"Gezien het feit dat deze experimentele platforms bestaan ​​en we deze materialen nu kunnen manipuleren door de snelheid te controleren waarmee dingen bewegen, vroegen we ons af:kunnen we een raamwerk ontwikkelen waarin we de lokale snelheden kunnen controleren van dingen die actieve vloeistoffen bevatten? zodat we ze op een systematische manier kunnen controleren?"

Het onderzoeksteam bestaat ook uit co-auteurs Cristina Marchetti en Mark Bowick van de Universiteit van Californië in Santa Barbara en Luca Scharrer, die een groot deel van het onderzoek uitvoerden als student aan de UCSB.

Het team concentreerde zich op een populaire actieve vloeistof, een nematische vloeistof genaamd, die bestaat uit vloeibare kristallen – dezelfde soort vloeibare kristallen die voorkomen in smartphone-, tablet- en computerschermen. Deze vloeibare kristallen zijn vloeistoffen die zijn samengesteld uit lange moleculen die zich kunnen opstellen en geordend kunnen worden, zoals lucifers in een luciferdoosje of houtblokken die zich opstapelen en door een rivier stromen, zegt Shankar.

Maar wanneer ze worden aangedreven door chemische reacties, worden deze nematische vloeistoffen actief en hebben ze het vermogen om vloeistof te pompen, waardoor ze zich kunnen verplaatsen zonder van buitenaf uitgeoefende krachten of drukgradiënten.

Shankar en collega's gebruikten dit karakteristieke kenmerk en pasten principes van symmetrie, geometrie en topologie uit de wiskunde toe om ontwerpprincipes te ontwikkelen waarmee de onderzoekers het traject van individuele kristallen in de nematische vloeistoffen kunnen controleren.

Hun methoden zijn gebaseerd op verschillen in de manier waarop deze staafachtige objecten zich in de vloeistof bevinden. Het kan zijn dat ze op sommige punten niet goed uitgelijnd zijn, waardoor de vloeibare kristallen rond het punt van de verkeerde uitlijning gaan buigen, zoals een draaikolk in een rivier.

Hierdoor ontstaan ​​er verschillende patronen in de vloeistof, vergelijkbaar met de randen van je vingerafdrukken, zegt Shankar. In vloeibare kristallen zijn er punten waar de lijn van kristallen voorover buigt en op een komeet lijkt, of een symbool vormt dat lijkt op het Mercedes-logo.

Als je energie aan het systeem toevoegt en de vloeistof actief maakt, komen deze patronen, topologische defecten genoemd, tot leven.

"Deze patronen beginnen te bewegen en ze drijven en roeren de vloeistof, bijna alsof het echte deeltjes zijn", zei Shankar. "Het beheersen van deze individuele patronen die verband houden met de defecten lijkt een eenvoudiger klus dan het controleren van elke microscopische component in een vloeistof."

Het project begon toen Scharrer simulaties ontwikkelde om actieve vloeistofstroming te modelleren en de locaties van topologische defecten te volgen, in een poging een hypothese van Shankar en Marchetti te testen. Door zijn simulatieresultaten aan de andere onderzoekers te laten zien, ontdekten Scharrer en het team hoe deze complexe reacties wiskundig konden worden verklaard en omgezet in ontwerpprincipes voor defectcontrole.

In het onderzoek creëerde Scharrer manieren om topologische patronen te creëren, verplaatsen en vlechten met behulp van wat zij actieve topologische pincetten noemen. Deze pincetten kunnen deze defecten langs ruimte-tijdtrajecten transporteren of manipuleren alsof het deeltjes zijn, door de structuur en omvang te controleren van de gebieden waar chemische activiteit het pompen van vloeistoffen aandrijft. De resulterende beweging van de actieve vloeistof rond de draaikolken van de topologische defecten maakt hun eindeloze beweging mogelijk.

"Ik denk dat dit werk een mooi voorbeeld is van hoe nieuwsgierigheidsgedreven onderzoek, vergeleken met probleem- of winstgedreven werk, ons in totaal onverwachte technologische richtingen kan leiden", zegt Scharrer, nu promovendus aan de Universiteit van Chicago.

"We zijn dit project gestart omdat we geïnteresseerd waren in de fundamentele fysica van topologische defecten, en per ongeluk op een nieuwe manier stuitten om actieve biologische en bio-geïnspireerde vloeistoffen te controleren. Als we dat einddoel vanaf het begin voor ogen hadden gehad, wie weet als we überhaupt iets hadden gevonden."

De onderzoekers laten ook zien hoe eenvoudige activiteitspatronen grote verzamelingen wervelende defecten kunnen beheersen die voortdurend turbulente mengstromen aandrijven.

Shankar zegt dat hoewel het vakgebied nieuw is en hun methode op dit moment is bewezen met behulp van computermodellen, mensen dit concept op een dag zouden kunnen gebruiken bij het creëren van microtestsystemen voor diagnostische doeleinden of voor het creëren van kleine reactiekamers. Een andere mogelijke toepassing zou kunnen liggen op het gebied van zachte robotica of zachte systemen, waarbij computercapaciteiten kunnen worden verdeeld over zachte, flexibele materialen.

"Dit zijn ongebruikelijke soorten vloeistoffen met zeer opwindende eigenschappen, en ze stellen zeer interessante vragen in de natuurkunde en techniek waar we hopelijk anderen over kunnen aanmoedigen om over na te denken," zei Shankar.

"Gezien dit raamwerk in dit ene systeem dat we demonstreren, kunnen anderen hopelijk soortgelijke ideeën overnemen en toepassen op hun favoriete model en favoriete systeem, en hopelijk andere ontdekkingen doen die even spannend zijn."