Fysiker från Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg och Heinrich-Heine Universität Düsseldorf har visat att avblandning sker i system som består av makroskopiska partiklar som roterar i motsatta riktningar och att partiklar som vänder sig antingen medurs eller moturs bildar homogena grupper. Forskarna använde miniatyrrobotar tillverkade med 3D-tryckmetoder för sitt experiment. Resultaten har nu publicerats i den berömda tidskriften Naturkommunikation .

Själva fenomenet är välkänt. Biologiska organismer som bakterier och artificiella aktiva partiklar tenderar att organisera sig i svärmar och mönster. Dock, hur denna självorganiserande fungerar och vilka krafter som är inblandade har ännu inte studerats i stor utsträckning. Experiment på dynamiken hos mikroskopiska partiklar är svåra att genomföra och omfattningen av simuleringar är begränsad eftersom grundläggande interaktionsmekanismer ännu inte är förstådda.

Vibrationer får mini -robotar att rotera

Fysiker vid FAU och universitetet i Düsseldorf har nu observerat hur roterande partiklar organiserar sig själv under experiment. Att göra så, de placerade små robotar på en vibrerande basplatta. De mätte cirka 1,5 centimeter i storlek och var utrustade med sju lutande ben som fungerar som elastiska fjädrar och omvandlar vibrationsimpulsen till roterande rörelser. För att förbättra interaktioner, robotarna, tillverkad med 3D-skrivare, var utrustade med fyra splines som gör att de beter sig som kugghjul som hänger ihop. "Vår inställning är faktiskt ganska enkel, "förklarar prof. Thorsten Pöschel från Institute of Multiscale Simulation vid FAU." Vi placerade 210 rotorer som snurrade i medurs riktning och 210 rotorer som snurrade i moturs riktning i en ring i en helt blandad bänkskiva. Vi slog på det vibrerande bordet och observerade vad som hände. "

Meshande partiklar håller ihop

Forskarna blev förvånade över resultaten:Enstaka domäner var tydligt synliga efter bara en minut, och efter 15 minuter, robotarna hade nästan helt avblandat. "Denna segmentering är inte intuitiv, "säger Dr Christian Scholz från Institute for Theoretical Physics II vid Heinrich-Heine Universität Düsseldorf." Vi kunde ha förväntat oss att partiklar som roterar i motsatta riktningar håller ihop eftersom deras splines inte hänger ihop-liknande en kedja av roterande kugghjul som rotera växelvis till höger eller till vänster. "Motsatsen är sant, dock. Rotorer som roterar i samma riktning låser sig och bildar grupper. Genom att spåra de enskilda robotarna, forskarna observerade superdiffusiva kantströmmar-partiklar nära gränssnitt är mer rörliga än de i mitten av domänerna.

Simuleringar bekräftar resultaten av experimentet

Många upprepningar visar att resultaten av experimentet är mycket robusta - rotorerna hade bildat mestadels tre eller fyra separata domäner efter 1000 sekunders vibration. Simuleringar utifrån Langevin -ekvationer visar alltid fullständig avblandning i två grupper. "Det faktum att variationerna under testerna var större än i simuleringen kunde ha orsakats av brister i formen av våra rotorer tryckta med 3D-skrivare och av tyngdkraftens påverkan eftersom vi inte kan anpassa vibrationen bord i ett helt horisontellt läge, "förklarar professor Dr. Michael Engel från Institute of Multiscale Simulation vid FAU.

Både den experimentella metoden med fysiska rotorer och Langevin-simuleringarna är väl lämpade för att beskriva den kollektiva dynamiken och fasseparationen av roterande partiklar. Forskarna hoppas kunna bidra till vidare forskning inom aktiv mjuk substans och mikroskopiska eller till och med molekylära partiklar. Resultaten av projektet har publicerats under titeln "Roterande robotar rör sig kollektivt och självorganiserar" i den berömda tidskriften Naturkommunikation .