Rekonfigurerbar struktur og afstembar transport i synkroniserede aktive spinnermaterialer

Aktiverede kolloider er fremragende modelsystemer til at undersøge nye strukturer uden for ligevægt, kompleks kollektiv dynamik og designregler for næste generations materialer. I en ny rapport, Koohe Han og et forskerhold suspenderede ferromagnetiske mikropartikler ved en luft-vand-grænseflade og forsynede dem med et eksternt roterende magnetfelt for at danne dynamiske ensembler af synkroniserede spinnere. Hver spinner genererede stærke hydrodynamiske strømme med kollektive interaktioner mellem flere spinnere for at fremme dynamisk gitterdannelse. Ved hjælp af eksperimenter og simuleringer afslørede de strukturelle overgange fra flydende til næsten krystallinske tilstande, demonstrerer den rekonfigurerbare karakter af dynamiske spinnergitre. Materialerne viste selvhelbredende adfærd og transporterede indlejrede inerte lastpartikler, indstillet af parametrene for ekstern excitation. Resultaterne er nu offentliggjort på Videnskab fremskridt , og give indsigt i adfærden af ​​aktive spinnermaterialer med rekonfigurerbar strukturel orden og tunerbare funktionaliteter.

Partikler uden for ligevægt kan tildele designregler for næste generations rekonfigurerbare materialer på grund af deres potentiale til selvorganisering. Forskere kan kontrollere excitationsfeltparametrene, der er baseret på en ekstern energitilstrømning fra et elektrisk eller magnetisk felt for at ændre den dynamiske og kollektive respons af aktiverede partikler i en reguleret proces. Disse feltdrevne aktive systemer er lovende kandidater til applikationer inden for vandrensning og målrettet lægemiddellevering ved at justere deres transportegenskaber efter behov. Nyere forskning har fokuseret på selvkørende partikler lige fra dynamisk kæde og klyngedannelse til flockning og aktiv turbulens. Udforskning af dynamisk selvsamling af kolloide partikler kan give en robust teknik til at generere store ensembler af mikroskopiske spinnere. Disse spinnere er ikke nemme byggesten til dynamisk samling, da de roterer i tilfældige retninger og går i opløsning.

For at opnå bedre kontrol og indstilling af det aktive spinnermateriale, holdet udviklede et system af synkront co-roterende selvmonterede spinnere, der er stabile og effektivt koblet gennem selv-inducerede hydrodynamiske strømme. I dette arbejde, Han et al. rapporterede den dynamiske dannelse af sværme af synkroniserede og selvmonterede spinnere fra ferromagnetiske nikkel (Ni)-partikler suspenderet ved en luft-vand-grænseflade og aktiveret med et roterende magnetfelt i planet. De selvmonterede spinnere genererede stærke hydrodynamiske strømme for at forårsage et sæt af kollektive dynamiske faser. Han et al. kombinerede eksperimenter og simuleringer for at undersøge strukturelle og transportegenskaber af disse aktive spinnermaterialer, resultaterne vil give indsigt i egenskaber af syntetiske aktive spinnermaterialer til partikeltransport og manipulation i mikroskala.

Holdet anvendte et statisk magnetfelt vinkelret på luft-vand-grænsefladen for at tillade dynamisk selvsamling af spinnere fra suspenderede ferromagnetiske nikkelpartikler. De aktiverede systemet ved hjælp af et eksternt roterende magnetfelt, der blev påført i plan med grænsefladen. Selvsamlingen af ​​spinnere var fuldt reversibel og styret via parametre for det eksterne felt, at samle magnetfeltdrevne multipartikelspinnere til næsten gitterlignende strukturer. De magnetiske spinnere beskrevet i eksperimenterne og simuleringerne adskilte sig på to vigtige aspekter fra tidligere designet roterende skiver. Specifikt, (1) magnetisk tiltrækning mellem partiklerne var stærk nok til at overvinde frastødningen og danne kæder, og (2) den høje anisotropi af spinnere tillod strømningsfeltet at variere periodisk i tid.

Han et al. bemærkede store ensembler af de synkroniserede selvsamlede spinnere for at udvise dynamisk selvorganisering og beregnede den sekskantede bindingsorienterede rækkefølge for at kvantificere lokal bestilling af spinderne. Ændringer i middelværdien af ​​de hexagonale bindingsordensparametre for spinnergitre afslørede en klar overgang fra den flydende fase til de krystallinske faser med stigende spinnerdensitet. Ved lav tæthed, spinderne bibeholdt væskelignende adfærd - efterhånden som tætheden steg, de blev mere begrænsede i deres bevægelse til at danne selvorganiserede spinner-gitre.

Simuleringerne fangede på samme måde den væskelignende rækkefølge af spinnere ved lave tætheder, selvom deres overgang til faste stoffer ikke var så udtalt sammenlignet med eksperimenterne. For yderligere at undersøge og karakterisere den strukturelle rækkefølge af de dynamiske spinnergitre i detaljer, holdet analyserede de relative positioner af spinnere i ensemblet og observerede spinnere til selvorganisering i gitter med veldefinerede frekvensafhængige inter-spinnerafstande ved høje tætheder. Gitterne af synkroniserede spinnere dannede en ny klasse af aktive krystaller ledsaget af et kraftigt hvirvelstrømsfelt. De selvorganiserede spin-gitre bibeholdt selvhelbredende kapacitet, som Han et al. vist ved med vilje at ødelægge spinnergitteret med en stor glasperle, der passerer gennem dets grænseflade - når perlen først havde passeret gennem grænsefladen, det berørte sted reparerede sig selv på få sekunder.

De stærke selv-inducerede underliggende hydrodynamiske strømme indikerede muligheden for et gitter af synkroniserede spinnere til effektivt at transportere passive lastpartikler. For at karakterisere dette, forskerne bestemte diffusionskoefficienten for en passiv ikke-magnetisk partikel placeret inde i et dynamisk spinnergitter ved at spore dens gennemsnitlige kvadratiske forskydning (MSD). De omtalte partikeltransport som aktiv diffusion - da resultaterne var størrelsesordener større end dem, der svarer til passiv termisk Brownsk bevægelse. De tunede effektivt den aktive diffusionskoefficient baseret på den eksterne feltfrekvens. Systemets opførsel bidrog til ændringer i spinner-spinner-afstande inden for gitteret for at danne en caging-effekt på en passiv lastperle og forhindre dens udgang fra cellen. Ligesom med eksperimenterne, simuleringerne viste forbedret bevægelse og diffusion for små og store sporstofpartikler, imidlertid, Han et al. observerede ikke frekvensafhængighed for diffusionskoefficienten under simuleringen sammenlignet med eksperimenter. Forskerne foreslår derfor at bruge tredimensionelle (3-D) simuleringer for at afklare oprindelsen af ​​den observerede uoverensstemmelse.

På denne måde, Koohe Han og kolleger rapporterede resultaterne af strukturelle og transportmæssige egenskaber af et nyt aktivt materiale sammensat af selvsamlede, synkroniserede spinnere. De suspenderede ferromagnetiske mikropartikler ved en luft-vand-grænseflade til dynamisk selvsamling i flere spinnere drevet af et roterende magnetfelt påført ved grænsefladen. Systemets aktivitet opstod på grund af rotationsbevægelsen af ​​spinnere, i modsætning til konventionelle aktive systemer sammensat af selvkørende enheder. Kollektive interaktioner mellem spinnere tillod dannelsen af ​​nye dynamiske faser, herunder spinnervæsker og selvorganiserede gitter, der understøttede aktiv diffusion gennem robuste, selvgenererede hydrodynamiske strømme, sideløbende med selvhelbredende adfærd. Holdet viste muligheden for at transportere inerte lastpartikler inden for selvorganiserede aktive spinnergitre med fjernbetjening og manipulation. Disse anvendelser af synkroniserede spinnersværme vil give nye muligheder for at designe selvsamlede strukturer og indstillelig transport i aktive materialer i mikroskala.

© 2020 Science X Network