När Northwestern Engineerings Erik Luijten träffade Zbigniew Rozynek, de förenades genast av ett mysterium.

Presenterar på en konferens i Norge, Rozynek, en forskare vid Adam Mickiewicz University i Pozna?, Polen, visade något som nästan såg ut som magi. När han petade in en nålformad elektrod i en blandning av mikron, sfäriska metallpartiklar dispergerade i silikonolja, en sfär fastnade i dess ände. När Rozynek drog ut elektroden ur dispersionen, en annan sfär fäst vid den första sfären, och sedan en till till den andra sfären, och så vidare, tills en lång kedja bildades.

"Sfärerna betedde sig som magnetiska pärlor, förutom att ingen magnetism var inblandad, sade Luijten, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och i teknik och tillämpad matematik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Partiklarna har ingen tendens att klunga ihop sig. Jag insåg att något mer komplicerat höll på att hända."

Rozynek, tillsammans med sina medarbetare Filip Dutka, Piotr Garstecki, och Arkadiusz Józefczak, och Luijten gick med i deras team för att förstå fenomenet som fick dessa kedjor att bildas. Deras resulterande upptäckt kan leda till en ny generation av elektroniska enheter och en snabb, enkel metod att skriva tvådimensionella elektroniska kretsar.

"Våra vetenskapliga resultat kan öppna upp andra områden för framtida forskning - både grundläggande och tillämpad, " Sa Rozynek. "Vi arbetar redan med uppföljningsprojekt baserat på vår upptäckt."

Stöds av Foundation for Polish Science, Polish National Science Centre, och US National Science Foundation, forskningen publicerades online idag i tidskriften Naturkommunikation . Rozynek och Luijten är medförfattare. Rozynek är också förstaförfattare med Ming Han, doktorand i Luijtens Computational Soft Matter Lab.

Rozynek och Han utförde flera beräkningar, visar hur elektrodens elektriska fält förändrade partiklarnas egenskaper. När elektroden doppas i den kolloidala lösningen, dess laddade spets polariserar varje sfär. Dessa inducerade dipolära interaktioner gör att sfärerna länkar samman. En resulterande kedja kan innehålla hundratusentals sfärer, når upp till 30 centimeter i längd.

Efter att teamet löst mysteriet om hur kedjorna bildades, det hade ett andra mysterium att ta itu med. "En annan fascinerande del är att när vi väl drog ut kedjan ur vätskan, vi behövde inte längre applicera ett elektriskt fält för att hålla kedjans struktur, Han sa. "Efter att fältet stängdes av, den stabila partikelkedjan förblev stabil."

Efter månader av utredning, Luijten och Rozyneks team upptäckte att kedjorna bibehöll sina strukturer på grund av flytande "broar" mellan intilliggande partiklar. När forskare drog ut kedjan ur vätskan, silikonolja klamrade sig fast vid sidorna av varje partikel, bildar ett fodral runt hela kedjan och håller den intakt.

"Ytspänningen spelar en stor roll här, Han sa. "Vätskebryggan fick partiklarna att hålla ihop. Fysiken här är verkligen intressant. De flesta skulle tro att om du ville behålla strukturen, då skulle du behöva applicera det elektriska fältet. Men det behövs inte i vårt system."

När den flexibla kedjan har dragits ut ur vätskan, det kan omedelbart dras längs en yta och deponeras för att skapa ett mönster. Forskarna tror att denna metod kan användas som ett alternativt sätt att skapa enkla, tvådimensionella elektroniska kretsar. Om smält vax används istället för silikonolja, då skulle metoden också kunna användas för att bygga tredimensionella strukturer som håller sina former när vaxet svalnar och stelnar.

"Även om det är enkelt, vår metod för att tillverka kolloidala strukturer är mycket elegant och kan användas för många applikationer, Rozynek sa, "inklusive tillverkning av ledande banor på olika substrat som ska användas, till exempel, i elektroniska ansökningar."

Luijten och Rozynek tror att en lösning av detta mysterium potentiellt kan öppna dörren för tillämpningar som de inte kan förutse idag. Genom att förstå hur metoden fungerar, de kan bättre bedöma hur olika typer av vätskor eller spänningsnivåer kan påverka kedjorna och förändra resultatet.

"Att förstå hur det fungerar gör det så mycket lättare att manipulera och optimera, ", sa Luijten. "Vi kan säga om metoden kommer att fungera bättre eller sämre om partiklarna är större eller om det elektriska fältet är starkare. Det är bara möjligt för att vi förstår det. Annat, du skulle behöva undersöka en oändlig uppsättning kombinationer."