Forskere skaber aktivt materiale ud af mikroskopiske spindende partikler

På atomniveau, et glas vand og en skefuld krystallinsk salt kunne ikke se mere anderledes ud. Vandatomer bevæger sig frit og tilfældigt rundt, mens saltkrystaller er låst på plads i et gitter. Men nogle nye materialer, for nylig undersøgt af forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, vise en spændende tilbøjelighed til nogle gange at opføre sig som vand og nogle gange som salt, giver dem interessante transportegenskaber og giver dem et potentiale for applikationer som blanding og levering i den farmaceutiske industri.

Disse såkaldte aktive materialer indeholder små magnetiske partikler, der selv organiserer sig i korte kæder af partikler, eller spinnere, og danner en gitterlignende struktur, når et magnetfelt påføres. "Aktive materialer har brug for en ekstern energikilde for at bevare deres struktur, " sagde Argonne-materialeforsker Alexey Snezhko, en forfatter til undersøgelsen.

I modsætning til tidligere eksperimenter med aktive materialer, som så på partikler, der demonstrerede lineær bevægelse, disse nye spinnere opnår en håndhed – som højre- eller venstrehåndethed – der får dem til at rotere i en bestemt retning.

Denne snurrende rotation af de ophængte selvsamlede nikkelspindere skaber en hvirvel-lignende effekt, hvori forskellige partikler kan blive suget ind i hvirvlerne skabt af deres naboer. "Partiklerne bevæger sig ikke af sig selv, men de kan trækkes rundt, " sagde Snezhko. "Det interessante er, at du kan have disse meget hurtigt roterende strukturer, der giver udseendet af et endnu større system, der er stille, men den forbliver ret aktiv."

Når partiklerne begynder at samles, hvirvlerne skabt af den roterende bevægelse – i forbindelse med de magnetiske interaktioner – trækker dem endnu tættere på, skabe et fast krystallinsk-lignende materiale, selvom spinnerne stadig roterer.

Argonne-forskerne ville vide, hvordan en ikke-spinner-partikel ville blive transporteret gennem det aktive gitter. Ifølge Snezhko, den hurtige hvirvling af spinnerne skaber evnen for disse andre lastpartikler til at bevæge sig gennem gitteret meget hurtigere, end de ville gennem et normalt materiale. "Ved regelmæssig diffusion, processen med at få en partikel fra den ene side af materialet til den anden er temperaturafhængig og tager meget længere tid, " han sagde.

Transporten af ​​en ikke-spinderpartikel er også afhængig af afstanden mellem spinderne. Hvis spinnerne er placeret tilstrækkelig langt fra hinanden, ikke-spinner-partiklen vil bevæge sig kaotisk mellem forskellige spinnere, som en tømmerflåde, der rejser ned ad en række strømfald. Hvis partiklerne i gitteret kommer tættere på hinanden, ikke-spinner-partiklen kan blive fanget i en individuel celle i gitteret.

"Når først partiklen kommer ind i en celle gennem sin egen kaotiske bevægelse, vi kan ændre feltet, så gitteret krymper lidt, gør sandsynligheden for, at partiklen forlader det sted i gitteret meget lav, " sagde Snezhko.

Materialet viste også evnen til at gennemgå selvreparation, ligner et biologisk væv. Da forskerne lavede et hul i gitteret, gitteret reformeret.

Ved at se på systemer med ren rotationsbevægelse, Snezhko og hans kolleger mener, at de kan designe systemer med specifikke transportegenskaber. "Der er mange forskellige måder at få en genstand i et materiale fra punkt A til punkt B, og denne type selvsamling kunne skræddersyes til forskellige dynamikker, " han sagde.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Rekonfigurerbar struktur og afstembar transport i synkroniserede aktive spinnermaterialer, " optrådte i 20. marts-udgaven af Videnskabens fremskridt .