Fysikere demonstrerer afblandingsadfærd af roterende partikler

Fysikere fra Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg og Heinrich-Heine Universität Düsseldorf har påvist, at afblanding sker i systemer, der består af makroskopiske partikler, der roterer i modsatte retninger, og at partikler, der drejer i enten urets eller mod urets retning, danner homogene grupper. Forskerne brugte miniaturerobotter fremstillet ved hjælp af 3-D-printmetoder til deres eksperiment. Resultaterne er nu offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Naturkommunikation .

Selve fænomenet er velkendt. Biologiske organismer som bakterier og kunstige aktive partikler har en tendens til at organisere sig i sværme og mønstre. Imidlertid, hvordan denne selvorganisering virker, og hvilke kræfter der er involveret, er endnu ikke undersøgt i særlig grad. Eksperimenter med mikroskopiske partiklers dynamik er vanskelige at udføre, og omfanget af simuleringer er begrænset, fordi grundlæggende interaktionsmekanismer endnu ikke er forstået.

Vibrationer får minirobotter til at rotere

Fysikere ved FAU og universitetet i Düsseldorf har nu observeret, hvordan roterende partikler organiserer sig selv under eksperimenter. For at gøre det, de placerede små robotter på en vibrerende bundplade. De målte omkring 1,5 centimeter i størrelse og var udstyret med syv vippede ben, der fungerer som elastiske fjedre og omdanner vibrationsimpulsen til roterende bevægelse. For at forbedre interaktioner, robotterne, fremstillet ved hjælp af 3-D printere, var udstyret med fire splines, der fik dem til at opføre sig som tandhjul, der går i indgreb. "Vores opsætning er faktisk ret simpel, " forklarer prof. Thorsten Poeschel fra Institute of Multiscale Simulation ved FAU. "Vi placerede 210 rotorer, der snurrede i urets retning og 210 rotorer, der drejede mod uret i en ring i en fuldt blandet bræt-konfiguration. Vi tændte for det vibrerende bord og observerede, hvad der skete."

Meshende partikler klæber sammen

Forskerne var overraskede over resultaterne:Enkelte domæner var tydeligt synlige efter kun et minut, og efter 15 minutter, robotterne var næsten fuldstændig afblandet. "Denne segmentering er ikke intuitiv, " siger Dr. Christian Scholz fra Instituttet for Teoretisk Fysik II ved Heinrich-Heine Universität Düsseldorf. "Vi kunne have forventet, at partikler, der roterer i modsatte retninger, forbliver sammen, fordi deres splines ikke låser sammen – svarende til en kæde af roterende tandhjul, der roter skiftevis til højre eller venstre." Det modsatte er sandt, imidlertid. Rotorer, der roterer i samme retning, låser sammen og danner grupper. Ved at spore de enkelte robotter, forskerne observerede super-diffusive kantstrømme - partikler nær grænseflader er mere mobile end dem i midten af ​​domænerne.

Simuleringer bekræfter resultaterne af eksperimentet

Talrige gentagelser viser, at resultaterne af eksperimentet er meget robuste - rotorerne havde for det meste dannet tre eller fire separate domæner efter 1000 sekunders vibration. Simuleringer på basis af Langevin-ligninger viser altid fuldstændig afblanding i to grupper. "Det faktum, at variationerne under testene var større end dem i simuleringen, kunne være forårsaget af ufuldkommenheder i formen af ​​vores rotorer printet med 3-D-printere og af tyngdekraftens indflydelse, da vi ikke er i stand til at justere vibrationerne. bord i en fuldstændig vandret position, " forklarer prof. dr. Michael Engel fra Institute of Multiscale Simulation på FAU.

Både den eksperimentelle tilgang med fysiske rotorer og Langevin-simuleringerne er velegnede til at beskrive den kollektive dynamik og faseadskillelsen af ​​roterende partikler. Forskerne håber at kunne yde et bidrag til yderligere forskning i aktivt blødt stof og mikroskopiske eller endda molekylære partikler. Resultaterne af projektet er publiceret under titlen "Roterende robotter bevæger sig kollektivt og selvorganiserer" i det anerkendte tidsskrift Naturkommunikation .