Lydbølger leder partikler til selvsamling, selvhelbredende

Et elegant enkelt eksperiment med flydende partikler, der selvsamles som reaktion på lydbølger, har givet en ny ramme for at studere, hvordan tilsyneladende naturtro adfærd opstår som reaktion på ydre kræfter.

Forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) demonstrerede, hvordan partikler, flyder oven på en glycerin-vandopløsning, synkronisere som reaktion på akustiske bølger sprængt fra en computers højttaler.

Studiet, offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturmaterialer , kunne hjælpe med at løse fundamentale spørgsmål om energispredning, og hvordan det gør det muligt for levende og ikke -levende systemer at tilpasse sig deres omgivelser, når de er ude af termodynamisk ligevægt.

"Dynamisk selvsamling under ikke-ligevægt er ikke kun vigtig i fysikken, men også i vores levende verden, "sagde Xiang Zhang, tilsvarende forfatter til papiret og en højtstående fakultetsforsker ved Berkeley Labs Materials Sciences Division med en fælles ansættelse ved UC Berkeley. "Imidlertid, de underliggende principper for dette er kun delvist forstået. Dette arbejde giver en enkel, men elegant platform til at studere og forstå sådanne fænomener. "

For at høre nogle fysikere beskrive det, denne tilstand af ikke-ligevægt, kendetegnet ved evnen til konstant at ændre og udvikle sig, er livets essens. Det gælder biologiske systemer, fra celler til økosystemer, såvel som visse ikke -biologiske systemer, såsom vejr- eller klimamønstre. At studere ikke-ligevægtssystemer får teoretikere lidt tættere på at forstå, hvordan livet-især intelligent liv-opstår.

Imidlertid, det er kompliceret og svært at studere, fordi ikke-ligevægtssystemer er åbne systemer, Sagde Zhang. Han bemærkede, at fysikere gerne studerer ting, der er stabile og i lukkede systemer.

"Vi viser, at individuelt 'dumme' partikler selv kan organisere sig langt fra ligevægt ved at sprede energi og dukke op med et kollektivt træk, der er dynamisk tilpasningsdygtigt og reflekterende over deres miljø, "sagde studieforfatteren Chad Ropp, en postdoktor i Zhangs gruppe. "I dette tilfælde, partiklerne fulgte 'beatet' af en lydbølge genereret fra en computerhøjttaler. "

Især efter at forskerne forsætligt brød partikelfesten op, brikkerne ville samles igen, viser evnen til at helbrede sig selv.

Ropp bemærkede, at dette arbejde i sidste ende kunne føre til en lang række "smarte" applikationer, såsom adaptiv camouflage, der reagerer på lyd- og lysbølger, eller blank-skifer materialer, hvis egenskaber skrives på forespørgsel af eksternt styrede drev.

Mens tidligere undersøgelser har vist, at partikler er i stand til selvsamling som reaktion på en ekstern kraft, dette papir præsenterer en generel ramme, som forskere kan bruge til at studere tilpasningsmekanismer i ikke-ligevægtssystemer.

"Sondringen i vores arbejde er, at vi kan forudsige, hvad der sker - hvordan partiklerne vil opføre sig - hvilket er uventet, "sagde en anden medlederforfatter Nicolas Bachelard, som også er postdoktor i Zhangs gruppe.

Da lydbølgerne rejste med en frekvens på 4 kilohertz, de spredende partikler bevægede sig med omkring 1 centimeter i minuttet. Inden for 10 minutter, partiklernes kollektive mønster dukkede op, hvor afstanden mellem partiklerne var overraskende uensartet. Forskerne fandt ud af, at de selvsamlede partikler udviste et fononisk båndgab - et frekvensområde, hvor akustiske bølger ikke kan passere - hvis kant var uløseligt forbundet, eller "slaver, "til 4 kHz input.

"Dette er en egenskab, der ikke var til stede med de enkelte partikler, "sagde Bachelard." Det dukkede først op, når partiklerne i fællesskab organiserede, derfor kalder vi dette en fremvoksende egenskab ved vores struktur under ikke-ligevægtsbetingelser. "

Det eksperimentelle design kunne næppe have været enklere. Til bølgelederen, forskerne brugte et 2 meter langt akrylrør, der indeholdt en 5 millimeter dyb pool af en glycerin-vandopløsning. Partiklerne var lavet af sugerør, der flyder oven på et fladt stykke plast, og lydkilden kom fra computerhøjttalere, som forskere ledte ind i røret via en plasttragt. Måling af lydbølgerne viste sig at være den mest tekniske del af forsøget.

"Dette er noget, du selv kunne gøre i din garage, "sagde Ropp." Det var et snavs-billigt eksperiment med dele, der fås i dit hjørnebutik. På et tidspunkt, vi havde brug for større sugerør, så jeg gik ud og købte noget boba -te. Opsætningen var ekstremt enkel, men det viste fysikken smukt. "

Eksperimentet fokuserede på akustiske bølger, fordi lydisolering var lettere at opnå, men principperne bag den adfærd, de observerede, ville være gældende for ethvert bølgesystem, sagde forskerne.

Denne grundforskning kunne danne grundlag for udvikling af intelligente netværk, der udfører simpel ikke-algoritmisk beregning, med en fremtid mod systemer, der udfører følelseslignende beslutningstagning, sagde forskerne.

"Jeg kan tænke på paralleller til kunstige hjerner, med sektioner, der reagerer på forskellige hjernebølger, der er formbare og rekonfigurerbare, sagde Ropp.