I Trollkarlen från Oz , en tornado hämtar Dorothys hus och flyttar det långt bort. Lite långsökt, höger? Men forskare vid Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory tror att, i mycket mindre skala, små virvlar kan en dag användas för att flytta mikroskopiska partiklar.

Virvlarna kan en dag användas i lab-on-a-chip-konstruktioner för att flytta partiklar, som blodkroppar, från en plats till en annan, eller att bygga material med självläkande egenskaper.

Innan de kan utnyttja de små virvlarna, fastän, forskare måste förstå hur deras komponenter, eller kolloidala partiklar, form och funktion. Genom att utsätta grupper av mikroskopiska metallmagnetrullar för olika magnetfält, Argonne -fysikern Alexey Snezhko och postdoc Gasper Kokot skapar sina egna virvlar för att påskynda den förståelsen.

"Att transportera föremål är ett långtgående mål, men vi arbetar med de första stegen, som är att förstå de grundläggande principerna, "Sade Snezhko." Vi gör detta som ett sökande efter en ny typ av aktivt material. Material som existerar utanför jämvikt. "

Paret publicerade de senaste fynden i 14 juni -numret av Naturkommunikation .

I deras första testserie, forskare lägger cirka 100 små magnetiska nickelvalsar, eller sfärer, i en vattenmatris som utsätts för ett enda axelmagnetfält, följt av ett växlande magnetfält.

"Varje partikel är som en liten kompass, "Förklarade Snezhko." Och vi använder ett magnetfält för att överföra energi. "

Inom det enda magnetfältet, rullarna ställde upp som om de verkligen var en del av en kompassnål, men när den utsätts för ett magnetfält som ändrade orientering 60 gånger i sekunden, rullarna flockades istället ihop och bildade virvlar.

I experimenten, virvlarna fick röra sig fritt i vattenmatrisen, där forskare studerade deras naturliga beteende. När den utsätts för det magnetiska fältet som vänder, partiklarna vred också och började rulla.

"Detta är det enda kända systemet där vi har sett den här typen av rullande och självorganisation med detta flockande beteende, "Kokot sa." Gruppen rör sig som en, precis som en flock fåglar. "

När partiklarna flockas samman, systemet bildar spontant en virvel, men virveln har också några konstiga egenskaper, som oförklarligt att byta riktning. I deras studie, virvelen bytte rotationsriktning i genomsnitt en gång var 160:e minut.

"Vi skulle vilja veta varför det byter, vad som styr växlingshastigheten, "uttryckte Kokot." För om vi kan kontrollera det, vi kan börja prata om nytta. "

Forskarna misstänker att de magnetiska partiklarna faktiskt kan prata med varandra på ett sätt som liknar fåglar för att undvika varandra under flykt. Och förhoppningen är att forskare så småningom kan använda kunskapen för att självmontera och transportera strukturer i den mikroskopiska världen.

Det finns mycket mer att studera innan forskare helt kommer att förstå eller kunna kontrollera virvlarna, men Snezhko sa att han tror att så småningom, de kan användas som en pincett, flytta icke-metalliska partiklar in och ut ur en flytande matris.

"Denna virvel interagerar med partiklar genom vätska, "sa han." Den kan fånga en partikel inuti och flytta den. "

Men det är inte en lösning som passar alla, Sa Kokot. Partiklar som transporteras måste ha rätt storlek. Om de är för små, de införlivas i virvelns kropp och saktar ner det. Och om de är för stora, de förstör virveln. Endast partikeln av rätt storlek fångas upp i virvelkärnans öga och transporteras. Det kan också vara möjligt att använda en partikel för att fästa en virvel på plats, där den kan hålla eller fånga partiklar som flyter förbi, Sade Snezhko.

"Så småningom, när du utvecklar bättre kontroll över dessa virvlar, du kan använda dem för att fånga last och flytta den över en yta, "Sade Snezhko." Just nu, vi kan fånga en partikel, men vi kan inte styra det. Så att göra det på ett mer kontrollerat sätt är något att titta på. "

Tills vidare, forskarna fortsätter att experimentera med en rad magnetfältstyper för att se hur rullarna svarar i olika miljöer och framkalla nya och kanske mer komplexa svar och kontroller.