Selvkørende partikler kan kondensere ved at dreje og bevæge sig mod overfyldte områder

Vi observerer vanddamp, der kondenserer til flydende dråber dagligt, det være sig som dugdråber på blade eller som dråber på låget på en gryde. Siden værket af den hollandske fysiker J.D. van der Waals i det 19. århundrede, kondens er blevet forstået at skyldes attraktive kræfter mellem molekylerne i en væske.

Nu, et internationalt forskerteam har opdaget en ny kondensationsmekanisme:Selvom de ikke tiltrækker hinanden, selvkørende partikler kan kondensere ved at dreje mod tætte områder, hvor de samler sig. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturfysik .

"Det er som om biler styrede mod overfyldte områder og gjorde mængden endnu større, "forklarede Steve Granick, direktør for IBS Center for Soft and Living Matter i Ulsan, Sydkorea. Selvkørende partikler har interne motorer, der tillader dem at bevæge sig alene. Eksempler omfatter bakterier, pattedyrsceller, og endda mennesker. Systemer af selvkørende partikler er et eksempel på aktivt stof-et voksende forskningsfelt.

I det sidste årti, forskere har søgt at forstå kondens, eller væske-gasfaseseparation, i aktivt stof. Tidligt arbejde afslørede, at i modsætning til passive væskemolekyler, selvkørende partikler kan kondensere, selvom de ikke tiltrækker hinanden.

Tidligere arbejde viste, at "motile partikler kolliderer med hinanden og sidder fast i kollisionen et stykke tid, tillader andre partikler at deltage og skabe en trafikprop, "sagde Ricard Alert, en postdoktor ved Princeton Center for Teoretisk Videnskab og en af ​​de første forskers nye forfattere.

"I disse systemer, partiklerne adskilles i to faser:tætte klynger, hvor de næsten ikke kan bevæge sig, og en fortyndet gas, hvor de bevæger sig hurtigt, "forklarede Ned Wingreen, Princeton University's Howard A. Tidligere professor i biovidenskab.

I det nye værk, forskergruppen undersøgte selvkørende partikler syntetiseret i laboratoriet. "Vi tog mikroskopiske glaskugler, og vi dækkede den ene halvkugle med et tyndt metallisk lag, "forklarede Jie Zhang, en postdoktor ved University of California i Santa Barbara, OS., og medforfatter af undersøgelsen.

Partiklerne har en glasflade og en metallisk flade; de er kendt som Janus-partikler til ære for den romerske gud med to ansigter.

Da forskerne anvendte et elektrisk felt, partiklerne begyndte at løbe med deres glasflade foran og deres metalliske flade på bagsiden. Som forventet, partiklerne begyndte straks at kondensere til klynger. Imidlertid, forskerne var overraskede over at se, at i modsætning til tætte trafikpropper, partikler i klyngerne blev ved med at bevæge sig hurtigt.

"I stedet for at sætte sig fast, klyngerne vrimlede med partikler, der konstant bevægede sig ind og ud, "Zhang sagde." Dette fund var både spændende og spændende. "

Observationen betød, at langsommere bevægelse af partikler i klynger ikke kunne forklare kondens i dette tilfælde, hvilket fik teamet til at udvikle en teori for den kollektive adfærd af aktive Janus -partikler. Teamet opdagede, at frem for at sidde fast som i en trafikprop, partikler roterer mod tætte områder. Partiklerne orienterer sig og kører derefter selv frem mod mængden.

"Dette er en ny mekanisme for kondens, der er baseret på, hvordan partikler omorienterer hinanden, "sagde advarsel." Dette fund bringer en ny idé ind på feltet, viser, at ikke kun kræfter, men også drejningsmomenter kan frembringe kondens og væske-gasfaseseparation. "

Den nye mekanisme gør det muligt for partikler at bevæge sig selv i tætte klynger. Forskerne er derfor håbefulde, at deres fund vil guide det fremtidige arbejde med selvsamling af dynamiske grupper af aktive agenter, fra mikroskopiske partikler til mennesker og robotter, der hurtigt kommer ind og ud af en klynge.

"En så hurtig omsætning kan vise sig nyttig som en strategi for effektiv udveksling af oplysninger mellem enkeltpersoner i en gruppe, "Sagde Granick.