Draai een draaimolen snel genoeg en de renners vliegen alle kanten op. Maar de ronddraaiende deeltjes in een laboratorium van de Rice University doen precies het tegenovergestelde.

Experimenten in het Rice-lab van chemisch ingenieur Sibani Lisa Biswal laten zien dat bolletjes ter grootte van een micron samenkomen onder invloed van een snel ronddraaiend magnetisch veld. Dat is geen verrassing, want de deeltjes zelf zijn gemagnetiseerd.

Maar hoe ze samenkomen, is van belang omdat de deeltjes zich eerst verzamelen in een ongeorganiseerde geaggregeerde cluster en vervolgens in een kristalachtig regime als het magnetische veld sterker wordt.

Resultaten van het werk onder leiding van Biswal en afgestudeerde student Elaa Hilou verschijnen in Physical Review Materials. De onderzoekers hopen dat het manieren zal inspireren om te kijken naar, modelleren en creëren van nieuwe tweedimensionale materialen zoals afstembare katalysatoren of colloïden die hun oppervlakte op aanvraag kunnen veranderen.

Experimenten onthulden grenzen, vormen, faseovergangen en het ontstaan ​​en oplossen van kristalachtige defecten tussen 300 en 1, 500 gemagnetiseerde bollen volgden hun energetische impulsen onder invloed van het bewegende veld.

"Ik heb dit gepresenteerd als een geminiaturiseerde versie van een fidget-spinner waarbij we het magnetische veld gebruiken om een ​​isotrope interactie rond de deeltjes te genereren, "Zei Biswal. "We kunnen deeltjesensembles creëren die los tot zeer dicht opeengepakt zijn door de kracht van die interactie."

Die geïnteresseerde Biswal en Hilou, maar niet zoveel als wat ze aan de randen zagen gebeuren, waarbij de lijnspanning gevormd door de buitenste deeltjes de uiteindelijke vorm van de arrays bepaalde.

"Denk aan een zeepbel, " zei Biswal. "Het vormt altijd een bol, zelfs als je het probeert te vervormen. Dat komt omdat oppervlaktespanning het oppervlak wil minimaliseren. Hetzelfde geldt voor ons systeem, maar in twee dimensies. De interacties proberen altijd wat we de lijnspanning noemen te minimaliseren.

"Elaa vindt de Gibbs-interface en meet de energie op die interface waar het van veel deeltjes dik (bij lage magnetische veldsterkten) naar bijna een enkel deeltje dik gaat door de sterkte van de interactie te veranderen, "zei ze. "Ze heeft veel analyses gedaan van de lijnspanning en hoe deze zich verhoudt tot de energie van het systeem."

De volgende stap is het creëren van fysieke, verplaatsbare modellen voor echte systemen om te zien hoe de componenten reageren wanneer ze worden verstoord. "Er is veel interesse om modellen te maken voor atomaire en moleculaire systemen, Biswal zei. "Het meeste is gedaan door middel van computersimulaties, maar hier hebben we een experimenteel systeem dat structuur en processen zoals coalescentie kan realiseren."

"Bijvoorbeeld, bij katalyse, als u het oppervlak wilt vergroten, je wilt meer holtes om het contact tussen een katalysator en een reactie te vergemakkelijken, "Zei Hilou. "Door de concentratie te verhogen en het veld te controleren, we kunnen lege plekken gaan zien en de interface controleren ten opzichte van de massa."

De techniek kan emulsies modelleren, ze zei. "Stel dat je olie en water hebt en ze wilt scheiden, " zei Hilou. "In het geval van cosmetica en de voedingsindustrie, u wilt dat de emulsies stabiel zijn. We willen hun dynamiek kunnen nabootsen door de deeltjesgrootte en de veldsterkte te beheersen."

Biswal zei dat de techniek ook kan worden gebruikt om systemen te modelleren waarin temperatuur, in plaats van elektromagnetisme, is de bestuurder. Op gebieden als metallurgie, defecten worden verwijderd "door de temperatuur te verhogen om moleculen meer vrijheid te geven om korrelgrenzen en holtes te verplaatsen, " zei ze. "Dan verlagen ze de temperatuur om de structuren op te sluiten.

"Wat we hebben is een wijzerplaat die niet alleen de effecten van temperatuur nabootst met een magnetisch veld, maar ook de mogelijkheid biedt om door een microscoop te kijken wat er in een echt systeem gebeurt, ' zei Biswal.

Rijst afgestudeerde alumnus Di Du, nu een statistisch onderzoeksanalist aan het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas, en afgestudeerde student Steve Kuei zijn co-auteurs van het artikel. De National Science Foundation ondersteunde het onderzoek.