Ett elegant enkelt experiment med flytande partiklar som självmonterar sig som svar på ljudvågor har gett ett nytt ramverk för att studera hur till synes verklighetstrogna beteenden uppstår som svar på yttre krafter.

Forskare vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) visade hur partiklar, flyter ovanpå en glycerin-vattenlösning, synkroniseras som svar på akustiska vågor från en datorhögtalare.

Studien, publiceras idag i tidskriften Naturmaterial , kan hjälpa till att ta itu med grundläggande frågor om energiförlust och hur det tillåter levande och icke-levande system att anpassa sig till sin miljö när de är utanför termodynamisk jämvikt.

"Dynamisk självmontering under icke-jämvikt är inte bara viktigt inom fysiken, men också i vår livsvärld, sa Xiang Zhang, motsvarande författare till uppsatsen och en senior fakultetsforskare vid Berkeley Labs Materials Sciences Division med en gemensam utnämning vid UC Berkeley. "Dock, de underliggande principerna som styr detta är endast delvis förstådda. Detta arbete ger en enkel men elegant plattform för att studera och förstå sådana fenomen."

För att höra några fysiker beskriva det, detta tillstånd av ojämvikt, kännetecknas av förmågan att ständigt förändras och utvecklas, är livets essens. Det gäller biologiska system, från celler till ekosystem, såväl som för vissa icke-biologiska system, som väder- eller klimatmönster. Att studera icke-jämviktssystem får teoretiker lite närmare att förstå hur liv - särskilt intelligent liv - uppstår.

Dock, det är komplicerat och svårt att studera eftersom icke-jämviktssystem är öppna system, sa Zhang. Han noterade att fysiker gillar att studera saker som är stabila och i slutna system.

"Vi visar att individuella "dumma" partiklar kan självorganisera sig långt ifrån jämvikt genom att skingra energi och framträda med en kollektiv egenskap som är dynamiskt anpassningsbar till och reflekterande av deras miljö, " sa studiens huvudförfattare Chad Ropp, en postdoktor i Zhangs grupp. "I detta fall, partiklarna följde "slaget" av en ljudvåg som genererades från en datorhögtalare."

I synnerhet, efter att forskarna avsiktligt bröt upp partikelpartiet, bitarna skulle sättas ihop igen, visar en förmåga att självläka.

Ropp noterade att detta arbete så småningom kan leda till en mängd olika "smarta" applikationer, som adaptivt kamouflage som reagerar på ljud- och ljusvågor, eller råmaterial vars egenskaper skrivs på begäran av externt styrda enheter.

Medan tidigare studier har visat att partiklar kan monteras själv som svar på en yttre kraft, denna artikel presenterar ett allmänt ramverk som forskare kan använda för att studera mekanismerna för anpassning i icke-jämviktssystem.

"Skillnaden i vårt arbete är att vi kan förutsäga vad som händer - hur partiklarna kommer att bete sig - vilket är oväntat, " sa en annan medförfattare Nicolas Bachelard, som också är postdoktor i Zhangs grupp.

När ljudvågorna färdades med en frekvens på 4 kilohertz, spridningspartiklarna rörde sig med cirka 1 centimeter per minut. Inom 10 minuter, det kollektiva mönstret av partiklarna uppstod, där avståndet mellan partiklarna var förvånansvärt ojämnt. Forskarna fann att de självmonterade partiklarna uppvisade ett fononiskt bandgap - ett frekvensområde där akustiska vågor inte kan passera - vars kant var oupplösligt kopplad, eller "förslavad, " till 4 kHz-ingången.

"Detta är en egenskap som inte fanns med de enskilda partiklarna, " sade Bachelard. "Det dök bara upp när partiklarna organiserade sig kollektivt, Det är därför vi kallar detta en framväxande egenskap hos vår struktur under icke-jämviktsförhållanden."

Den experimentella designen kunde knappast ha varit enklare. För vågledaren, forskarna använde ett 2 meter långt akrylrör som innehöll en 5 millimeter djup pool av en glycerin-vattenlösning. Partiklarna tillverkades av sugrör som flyter ovanpå en platt bit plast, och ljudkällan kom från vanliga datorhögtalare som forskare riktade in i röret via en plasttratt. Att mäta ljudvågorna visade sig vara den mest tekniska delen av experimentet.

"Det här är något du kan göra själv i ditt garage, " sa Ropp. "Det var ett smutsbilligt experiment med delar som finns tillgängliga i din hörnjärnaffär. Vid en punkt, vi behövde större sugrör, så jag gick ut och köpte lite boba-te. Installationen var extremt enkel, men det visade fysiken vackert."

Experimentet fokuserade på akustiska vågor eftersom ljudisolering var lättare att uppnå, men principerna bakom beteendet de observerade skulle vara tillämpliga på alla vågsystem, sa forskarna.

Denna grundläggande forskning skulle kunna utgöra grunden för att utveckla intelligenta nätverk som utför enkla icke-algoritmiska beräkningar, med en framtid mot system som utför kännande beslutsfattande, sa forskarna.

"Jag kan tänka på paralleller till artificiella hjärnor, med sektioner som svarar på olika frekvens "hjärnvågor" som är formbara och omkonfigurerbara, sa Ropp.