Aktiverade kolloider är utmärkta modellsystem för att undersöka framväxande strukturer som inte är i jämvikt, komplex kollektiv dynamik och designregler för nästa generations material. I en ny rapport, Koohe Han och ett forskarlag suspenderade ferromagnetiska mikropartiklar vid ett luft-vatten-gränssnitt och gav dem energi med ett externt roterande magnetfält för att bilda dynamiska ensembler av synkroniserade spinnare. Varje spinnare genererade starka hydrodynamiska flöden med kollektiva interaktioner mellan flera spinnare för att främja dynamisk gitterbildning. Med hjälp av experiment och simuleringar avslöjade de strukturella övergångar från flytande till nära kristallina tillstånd, demonstrerar den omkonfigurerbara naturen hos dynamiska spinnargitter. Materialen visade självläkande beteende och transporterade inbäddade inerta lastpartiklar, inställd av parametrarna för extern excitation. Resultaten publiceras nu den Vetenskapliga framsteg , och ge insikt i beteendet hos aktiva spinnermaterial med omkonfigurerbar strukturell ordning och avstämbara funktioner.

Partiklar som inte är i jämvikt kan tilldela designregler för nästa generations omkonfigurerbara material på grund av deras potential att självorganisera. Forskare kan kontrollera excitationsfältsparametrarna som är baserade på ett externt energiinflöde från ett elektriskt eller magnetiskt fält för att förändra det dynamiska och kollektiva svaret hos aktiverade partiklar i en reglerad process. Dessa fältdrivna aktiva system är lovande kandidater för tillämpningar inom vattenrening och riktad läkemedelsleverans genom att justera deras transportegenskaper vid behov. Ny forskning har fokuserat på självgående partiklar, allt från dynamisk kedja och klustring till flockning och aktiv turbulens. Att utforska dynamisk självmontering av kolloidala partiklar kan ge en robust teknik för att generera stora ensembler av mikroskopiska spinnare. Dessa spinnare är inte lätta byggstenar för dynamisk montering eftersom de roterar i slumpmässiga riktningar och sönderfaller.

För att få bättre kontroll och inställning av det aktiva spinnermaterialet, laget utvecklade ett system med synkront samroterande självmonterade spinnare som är stabila och effektivt kopplade genom självinducerade hydrodynamiska flöden. I det här arbetet, Han et al. rapporterade den dynamiska bildningen av svärmar av synkroniserade och självmonterade spinnare från ferromagnetiska nickel (Ni)-partiklar suspenderade vid ett luft-vatten-gränssnitt och aktiverade med ett roterande magnetfält i planet. De självmonterade spinnarna genererade starka hydrodynamiska flöden för att orsaka en uppsättning av kollektiva dynamiska faser. Han et al. kombinerade experiment och simuleringar för att undersöka strukturella och transportegenskaper hos dessa aktiva spinnermaterial, fynden kommer att ge insikt i egenskaperna hos syntetiska aktiva spinnermaterial för partikeltransport och manipulation i mikroskala.

Teamet applicerade ett statiskt magnetfält vinkelrätt mot luft-vattengränssnittet för att möjliggöra dynamisk självmontering av spinnare från suspenderade ferromagnetiska nickelpartiklar. De aktiverade systemet med hjälp av ett externt roterande magnetfält applicerat i planet med gränssnittet. Självmonteringen av spinnare var helt reversibel och kontrollerad via parametrar för det externa fältet, att montera magnetfältdrivna multipartikelspinnare i nästan gitterliknande strukturer. De magnetiska spinnarna som beskrevs i experimenten och simuleringarna skilde sig i två viktiga aspekter från tidigare designade roterande skivor. Specifikt, (1) magnetisk attraktion mellan partiklarna var tillräckligt stark för att övervinna repulsionen och bilda kedjor, och (2) den höga anisotropin hos spinnare tillät flödesfältet att variera periodiskt i tiden.

Han et al. noterade stora ensembler av de synkroniserade självmonterade spinnarna för att uppvisa dynamisk självorganisering och beräknade den hexagonala bindningsorienterade ordningen för att kvantifiera lokal ordning av spinnarna. Förändringar i medelvärdet för de sexkantiga bindningsordens parametrar hos spinnergitter avslöjade en tydlig övergång från vätskefasen till de kristallina faserna med ökande spinnartäthet. Vid låg densitet, spinnarna behöll vätskeliknande beteende-när tätheten ökade, de blev mer begränsade i sin rörelse för att bilda självorganiserade spinnergaller.

Simuleringarna fångade på liknande sätt den vätskeliknande ordningen hos spinnare vid låga densiteter även om deras övergång till fasta ämnen inte var lika uttalad jämfört med experimenten. För att ytterligare undersöka och karakterisera den strukturella ordningen för de dynamiska spinnargittren i detalj, teamet analyserade de relativa positionerna för snurrarna inom ensemblen och observerade att snurrarna organiserade sig själv i galler med väldefinierade frekvensberoende interspinneravstånd vid höga densiteter. Gallen av synkroniserade spinnare bildade en ny klass av aktiva kristaller åtföljda av ett kraftfullt virvelflödesfält. De självorganiserade spinngittren behöll självläkande förmåga, vilket Han et al. visades genom att avsiktligt förstöra spinnergitteret med en stor glaspärla som passerade genom dess gränssnitt - när pärlan hade passerat genom gränssnittet, den drabbade platsen repareras själv på några sekunder.

De starka självinducerade underliggande hydrodynamiska flödena indikerade möjligheten för ett gitter av synkroniserade spinnare för att effektivt transportera passiva lastpartiklar. För att karakterisera detta, forskarna bestämde diffusionskoefficienten för en passiv omagnetisk partikel placerad inuti ett dynamiskt spinnargitter genom att spåra dess medelkvadratförskjutning (MSD). De hänvisade till partikeltransport som aktiv diffusion - eftersom resultaten var storleksordningar större än de som motsvarar passiv termisk Brownsk rörelse. De justerade effektivt den aktiva diffusionskoefficienten baserat på den externa fältfrekvensen. Systemets beteende bidrog till förändringar i spinner-spinneravstånden inom gittret för att bilda en inkapslingseffekt på en passiv lastpärla och förhindra dess utträde ur cellen. Ungefär som med experimenten, simuleringarna visade förbättrad rörelse och diffusion för små och stora spårpartiklar, dock, Han et al. observerade inte frekvensberoende för diffusionskoefficienten under simuleringen jämfört med experiment. Forskarna föreslår därför att man använder tredimensionella (3D) simuleringar för att klargöra ursprunget till den observerade avvikelsen.

På det här sättet, Koohe Han och kollegor rapporterade resultaten av strukturella och transportegenskaper hos ett nytt aktivt material som består av självmonterade, synkroniserade spinnare. De suspenderade ferromagnetiska mikropartiklar vid ett luft-vatten-gränssnitt för dynamisk självmontering i flera spinnare som drivs av ett roterande magnetfält som appliceras vid gränssnittet. Systemets aktivitet uppstod på grund av rotationsrörelsen hos spinnare, till skillnad från konventionella aktiva system som består av självgående enheter. Kollektiva interaktioner mellan spinnare möjliggjorde bildandet av nya dynamiska faser inklusive spinnervätskor och självorganiserade galler som stödde aktiv diffusion genom robusta, självgenererade hydrodynamiska flöden, vid sidan av självläkande beteende. Teamet visade möjligheten att transportera inerta lastpartiklar inom självorganiserade aktiva spinnargitter med fjärrkontroll och manipulation. Dessa tillämpningar av synkroniserade spinnersvärmar kommer att ge nya möjligheter att designa självmonterade strukturer och avstämbar transport i aktiva material i mikroskala.

© 2020 Science X Network