Forskere viser, hvordan man bruger topologiske pincet til at kontrollere aktive væsker

University of Michigan fysikere har udtænkt en måde at manipulere aktive væsker, en type væske sammensat af individuelle enheder, der kan drive sig selv uafhængigt, ved at drage fordel af topologiske defekter i væskerne.

Forskerne viste, at de kunne bruge en pincet svarende til en optisk pincet - højt fokuserede lasere, der kan bruges til at skubbe rundt om atomer og andre mikroskopiske og submikroskopiske materialer - til at manipulere væskernes topologiske defekter og kontrollere, hvordan disse aktive væsker strømmer. Undersøgelsen, ledet af U-M-fysiker Suraj Shankar, er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Du kan tænke på en aktiv væske som en flok fugle, siger Shankar. I en mumlen, en enorm sky af stære, vil fugle vride sig og vende sig i forening og danne former af skyen. Men mens mumlen ser ud som om den bevæger sig som én organisme, er bevægelsen lavet af individuelle fugle drevet af deres individuelle sæt vinger.

På samme måde er aktive væsker sammensat af individuelle komponenter som bakterier i vand eller atomer i en krystal, men hver enhed bevæger sig på egen hånd, hvis den skinnede med lys eller gives "mad" via en kemisk reaktion, ifølge Shankar. Forskere har tidligere konstrueret bakterier, så når de skinner lys på bakterierne, svømmer nogle bakterier i væsken hurtigere og andre svømmer langsommere.

"Og du kan ændre det mønster, som du vil. Ved at ændre hastigheden, hvormed bakterierne svømmer lokalt, kan du male ansigter af kendte mennesker, eller ændre det og lave et landskab," siger Shankar, der er assisterende professor i fysik ved U-M.

"I betragtning af at disse eksperimentelle platforme eksisterer, og vi nu er i stand til at manipulere disse materialer ved at kontrollere hastigheden, hvormed tingene bevæger sig rundt, spurgte vi:Kan vi udvikle en ramme, hvori vi kan kontrollere de lokale hastigheder af ting, der omfatter aktive væsker så vi kan kontrollere dem på en systematisk måde?"

Forskerholdet omfatter også medforfatterne Cristina Marchetti og Mark Bowick fra University of California Santa Barbara og Luca Scharrer, som udførte meget af forskningen som bachelor ved UCSB.

Holdet fokuserede på en populær aktiv væske kaldet en nematisk væske, sammensat af flydende krystaller - den samme slags flydende krystaller, der omfatter smartphone, tablet og computerskærme. Disse flydende krystaller er væsker, der er sammensat af lange molekyler, der kan stille op og blive ordnet som tændstikker i en tændstikæske eller tømmerstokke, der stables op og flyder ned ad en flod, siger Shankar.

Men når de drives af kemiske reaktioner, bliver disse nematiske væsker aktive og har evnen til at pumpe væske, hvilket tillader dem at bevæge sig rundt uden ydre påførte kræfter eller trykgradienter.

Shankar og kolleger brugte denne karakteristiske egenskab og anvendte principper for symmetri, geometri og topologi fra matematik til at udvikle designprincipper, der vil give forskerne mulighed for at kontrollere individuelle krystallers bane i de nematiske væsker.

Deres metoder er afhængige af forskelle i, hvordan disse stavlignende genstande stiller sig op i væsken. De kan være forkert justeret på nogle punkter, hvilket får de flydende krystaller til at bøje sig rundt om punktet for fejljustering, som et boblebad i en flod.

Dette skaber forskellige mønstre i væsken, der ligner kammene på dine fingeraftryk, siger Shankar. I flydende krystaller er der punkter, hvor linjen af ​​krystaller vil bøje sig og ligne en komet eller danne et symbol, der ligner Mercedes-logoet.

Hvis du tilføjer energi til systemet og gør væsken aktiv, bliver disse mønstre, kaldet topologiske defekter, levende.

"Disse mønstre begynder at bevæge sig, og de driver og omrører væsken, næsten som om de var faktiske partikler," sagde Shankar. "At kontrollere disse individuelle mønstre, der er forbundet med defekterne, virker som en enklere opgave end at kontrollere hver mikroskopisk komponent i en væske."

Projektet startede, da Scharrer udviklede simuleringer til at modellere aktiv væskestrøm og spore placeringen af ​​topologiske defekter, i et forsøg på at teste en hypotese stillet af Shankar og Marchetti. Ved at vise sine simuleringsresultater til de andre forskere fandt Scharrer og teamet ud af, hvordan disse komplekse svar kunne forklares matematisk og konverteres til designprincipper for defektkontrol.

I undersøgelsen skabte Scharrer måder at skabe, flytte og flette topologiske mønstre ved hjælp af det, de kalder aktiv topologisk pincet. Disse pincet kan transportere eller manipulere disse defekter langs rum-tidsbaner, som om de var partikler, ved at kontrollere strukturen og omfanget af de områder, hvor kemisk aktivitet driver væskepumpning. Den resulterende bevægelse af den aktive væske omkring de topologiske defekters hvirvler muliggør deres uendelige bevægelse.

"Jeg synes, dette arbejde er et smukt eksempel på, hvordan nysgerrighedsdrevet forskning sammenlignet med problem- eller profitdrevet arbejde kan føre os i helt uventede teknologiske retninger," siger Scharrer, nu doktorand ved University of Chicago.

"Vi startede dette projekt, fordi vi var interesserede i den grundlæggende fysik af topologiske defekter og ved et uheld faldt ind i en ny måde at kontrollere aktive biologiske og bio-inspirerede væsker på. Hvis vi havde haft det slutmål i tankerne fra begyndelsen, hvem ved hvis vi overhovedet ville have fundet noget."

Forskerne demonstrerer også, hvordan simple aktivitetsmønstre kan kontrollere store samlinger af hvirvlende defekter, der konstant driver turbulente blandingsstrømme.

Shankar siger, at selvom feltet er nyt, og deres metode er bevist ved hjælp af beregningsmodeller på dette tidspunkt, kunne folk en dag bruge dette koncept til at skabe mikrotestsystemer til diagnostiske formål eller til at skabe små reaktionskamre. En anden potentiel anvendelse kunne være inden for blød robotteknologi eller bløde systemer, hvor computeregenskaber kan fordeles i bløde, fleksible materialer.

"Dette er usædvanlige slags væsker, der har meget spændende egenskaber, og de stiller meget interessante spørgsmål inden for fysik og teknik, som vi forhåbentlig kan opmuntre andre til at tænke over," sagde Shankar.

"I betragtning af denne ramme i dette ene system, som vi demonstrerer, kan andre forhåbentlig tage lignende ideer og anvende det på deres yndlingsmodel og yndlingssystem og forhåbentlig gøre andre opdagelser, der er lige så spændende."