På atomnivå, ett glas vatten och en sked kristallint salt kunde inte se mer annorlunda ut. Vattenatomer rör sig fritt och slumpmässigt, medan saltkristaller är låsta på plats i ett galler. Men några nya material, nyligen undersökt av forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, visa en spännande benägenhet att ibland bete sig som vatten och ibland som salt, ger dem intressanta transportegenskaper och har potentiella löften för applikationer som blandning och leverans inom läkemedelsindustrin.

Dessa så kallade aktiva material innehåller små magnetiska partiklar som självorganiserar sig till korta kedjor av partiklar, eller spinnare, och bildar en gitterliknande struktur när ett magnetfält appliceras. "Aktiva material behöver en extern energikälla för att behålla sin struktur, " sa Argonne materialforskare Alexey Snezhko, en författare till studien.

Till skillnad från tidigare experiment med aktiva material, som tittade på partiklar som visade linjär rörelse, dessa nya spinnare får en handenhet – som höger- eller vänsterhänthet – som får dem att rotera i en specifik riktning.

Denna snurrande rotation av de upphängda självmonterade nickelspinnarna skapar en bubbelpoolliknande effekt, där olika partiklar kan sugas in i virvlarna som skapas av sina grannar. "Partiklarna rör sig inte av sig själva, men de kan dras runt, "Snezhko sa. "Det intressanta är att du kan ha dessa mycket snabbt roterande strukturer som ger intrycket av ett ännu större system som är stilla, men det är fortfarande ganska aktivt."

När partiklarna börjar samlas, de virvlar som skapas av den snurrande rörelsen – i samband med de magnetiska interaktionerna – drar dem ännu närmare, skapa ett fixerat kristallint material, även när spinnarna fortfarande roterar.

Argonne-forskarna ville veta hur en icke-spinnarpartikel skulle transporteras genom det aktiva gittret. Enligt Snezhko, spinnarnas snabba virvling skapar förmågan för dessa andra lastpartiklar att röra sig genom gallret mycket snabbare än de skulle göra genom ett normalt material. "Vid regelbunden diffusion, processen att få en partikel från ena sidan av materialet till den andra är temperaturberoende och tar mycket längre tid, " han sa.

Transporten av en icke-spinnarpartikel är också beroende av avståndet mellan spinnarna. Om spinnarna är placerade tillräckligt långt ifrån varandra, icke-spinnarpartikeln kommer att färdas kaotiskt mellan olika spinnare, som en flotte som färdas nerför en serie forsar. Om partiklarna i gittret kommer närmare varandra, icke-spinnarpartikeln kan fångas i en enskild cell i gittret.

"När partikeln väl kommer in i en cell genom sin egen kaotiska rörelse, vi kan modifiera fältet så att gittret krymper något, gör sannolikheten för att partikeln lämnar den platsen i gittret mycket låg, sa Snezhko.

Materialet visade också förmågan att genomgå självreparation, liknar en biologisk vävnad. När forskarna gjorde ett hål i gallret, gallret reformerat.

Genom att titta på system med enbart roterande rörelse, Snezhko och hans kollegor tror att de kan designa system med specifika transportegenskaper. "Det finns många olika sätt att få ett föremål i ett material från punkt A till punkt B, och denna typ av självmontering skulle kunna skräddarsys för olika dynamik, " han sa.

Ett papper baserat på studien, "Omkonfigurerbar struktur och avstämbar transport i synkroniserade aktiva spinnermaterial, " dök upp i numret av 20 mars Vetenskapens framsteg .