Fysikere bruger elektriske felter til at fremkalde svingninger i små partikler

En udfordrende grænse inden for videnskab og teknik er at kontrollere stof uden for termodynamisk ligevægt for at bygge materialesystemer med evner, der kan måle sig med levende organismers. Forskning i aktive kolloider har til formål at skabe mikro- og nanoskala "partikler", der svømmer gennem viskøse væsker som primitive mikroorganismer. Når disse selvkørende partikler kommer sammen, de kan organisere og bevæge sig som fiskestimer for at udføre robotfunktioner, såsom at navigere i komplekse miljøer og levere "fragt" til målrettede steder.

Et Columbia Engineering-team ledet af Kyle Bishop, professor i kemiteknik, er på forkant med at studere og designe dynamikken af ​​aktive kolloider drevet af kemiske reaktioner eller ekstern magnetisk, elektrisk, eller akustiske felter. Gruppen udvikler kolloide robotter, hvor aktive komponenter interagerer og samles for at udføre dynamiske funktioner inspireret af levende celler.

I en ny undersøgelse offentliggjort i dag af Fysisk gennemgangsbreve , Biskops gruppe, arbejder med samarbejdspartnere ved Northwestern University's Center for Bio-Inspireret Energividenskab (CBES), rapporterer, at de har demonstreret brugen af ​​DC elektriske felter til at drive frem og tilbage rotation af mikropartikler i elektriske grænselag. Disse partikeloscillatorer kunne være nyttige som ure, der koordinerer organiseringen af ​​aktivt stof og endda, måske, orkestrere funktionerne af robotter i mikronskala.

"Små partikeloscillatorer kunne muliggøre nye typer aktivt stof, der kombinerer selvkørende kolloiders sværmende adfærd og koblede oscillatorers synkroniseringsadfærd, " siger biskop. "Vi forventer, at interaktioner mellem partiklerne afhænger af deres respektive positioner og faser, dermed muliggør rigere kollektiv adfærd - adfærd, der kan designes og udnyttes til applikationer inden for sværmrobotik."

At lave et pålideligt ur på mikron-skalaen er ikke så simpelt, som det kan lyde. Som man kan forestille sig, pendulure fungerer ikke godt, når de er nedsænket i honning. Deres periodiske bevægelse - ligesom alle inertioscillatorer - standser under tilstrækkelig modstand fra friktion. Uden hjælp af inerti, det er ligeledes udfordrende at drive den oscillerende bevægelse af partikler i mikronskala i viskøse væsker.

"Vores nylige observation af kolloide sfærer, der oscillerer frem og tilbage i et DC elektrisk felt præsenterede en smule mystik, en vi ønskede at løse, " bemærker avisens hovedforfatter, Zhengyan Zhang, en ph.d. studerende i Bishop's lab, der opdagede denne effekt. "Ved at variere partikelstørrelsen, feltstyrke, og væskeledningsevne, vi identificerede eksperimentelle forhold, der var nødvendige for oscillationer og afdækkede mekanismen bag partiklernes rytmiske dynamik."

Tidligere arbejde har vist, hvordan lignende partikler kan rotere støt ved en proces kendt som Quincke-rotation. Som et vandhjul fyldt ovenfra, Quincke-ustabiliteten er drevet af akkumulering af elektrisk ladning på partikeloverfladen og dens mekaniske rotation i det elektriske felt. Imidlertid, eksisterende modeller af Quincke-rotation - og af overdæmpede vandhjul - forudsiger ikke oscillerende dynamik.

Denne nye undersøgelse karakteriserer og forklarer de "mystiske" svingninger ved henvisning til et grænselag i den ikke-polære elektrolyt. Inden for dette lag, ofte ignoreret af forskere, ladningsbærere genereres og migrerer derefter væk under påvirkning af det elektriske felt. Disse processer introducerer rumlige asymmetrier i hastighederne for ladningsakkumulering ved partikeloverfladen. Som et vandhjul, hvis spande lækker hurtigere i toppen end i bunden, asymmetrisk opladning kan føre til frem og tilbage rotation ved høje feltstyrker.

"Den begrænsede generation af ladninger i disse svage elektrolytter skaber et grænselag, der kan sammenlignes med størrelsen af ​​partikler under et stærkt elektrisk felt, som fundet numerisk af min ph.d. studerende Hang Yuan, en medforfatter til værket. Som resultat, "ledningsevnen" af ioner omkring partikler, der er inden for det store grænselag, er ikke konstant, fører til de observerede svingninger ved stærke elektriske felter, " siger Monica Olvera de la Cruz, Advokat Taylor professor i materialevidenskab og teknik, Kemi og (ved høflighed) kemi og biologisk teknik, Fysik og astronomi ved Northwestern Engineering.

"Dette arbejde viser en måde at generere oscillatorer på, som kunne føre til fremkomsten af ​​samarbejdsfænomener i væsker, " tilføjer hun.

Holdet eksperimenterede med forskellige former for partikler og fandt ud af, at de kunne generere oscillationer med alle partikler, forudsat at deres størrelse var sammenlignelig med grænselagets.

"Ved at justere feltstyrken og/eller elektrolytten, vi kan forudsigeligt kontrollere frekvensen af ​​disse Quincke-ure, "" Bishop tilføjer. "Vores papir muliggør design af nye former for aktivt stof baseret på samlinger af mobile oscillatorer."

Holdet studerer i øjeblikket den kollektive adfærd, der opstår, når mange Quincke-oscillatorer bevæger sig og interagerer med hinanden.