I en ny studie publicerad förra veckan i Vetenskapens framsteg , forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory skapade små virvlande virvlar av magnetiska partiklar, ge insikt i beteendet som styr sådana system – vilket öppnar nya möjligheter för material och enheter med nya egenskaper.

Argonne-fysikern Alexey Snezhko och hans kollegor tippade en hög med små magnetiska mikropartiklar, var och en ungefär lika stor som diametern på ett människohår, i ett fat med vätska med konkav botten. Sedan applicerade de ett oscillerande magnetfält och mixtrade med parametrarna, observera partiklarnas beteende när de började rulla. Med precis rätt inställningar, partiklarna smälte spontant samman till en virvlande virvel.

"Det är lite som om du slumpmässigt kastade en massa bollar på ett biljardbord, och de började snurra i en cirkel när de rullade, "Snezhko sa. "Vår studie innebär att kartlägga detta aktiva system och dess beteenden, som kan inspirera till nya material och enheter med unika möjligheter."

Upptäckten är av intresse inom det växande området som kallas "aktiv materia" eller "aktiva system, " där grupper av individuella agenter använder energi från sina miljöer för att bilda organiserade system. Detta beskriver beteendet hos flockar av fåglar, fiskstim och till och med hur våra celler bygger sina inre strukturer.

Liknande principer styr beteendet hos dessa system trots deras mycket olika sammansättning och ursprung, och forskare vill utnyttja dessa principer för att bygga nya aktiva material med unika egenskaper – som material som kan läka sig själva, ändra sina egenskaper som svar på yttre stimuli eller tillhandahålla nya funktioner.

Till exempel, Snezhko sa, virvlarna kan användas för att transportera last i små mikrofluidiska enheter – som biochips eller laboratorier-på-ett-chip – eller för att skapa virvlande vätskerörelser runt dem för att blanda komponenter i mikroskala.

Snezhko och hans kollegor fann också att "brus" från partiklarnas ytdefekter ofta var nyckeln till att utlösa flockningsbeteendet.

Till skillnad från tidigare studier av liknande system vid Argonne som upptäckte, till exempel, hur man formar rörliga ormar av mikropartiklar, som endast kan monteras på ytan av en vätska, dessa virvlar finns i bulkvätska - på den fasta botten av en behållare full med vätska. Detta ger mer mångsidighet för dem som vill skapa små maskiner med dessa principer.