Vi observerar vattenånga som kondenserar till vätskedroppar dagligen, vare sig det är som daggdroppar på löv eller som droppar på locket till en kastrull. Sedan den nederländska fysikern J.D. van der Waals arbete på 1800-talet, kondensation har förståtts vara ett resultat av attraktionskrafter mellan molekylerna i en vätska.

Nu, ett internationellt team av forskare har upptäckt en ny kondensationsmekanism:Även om de inte attraherar varandra, självgående partiklar kan kondensera genom att vända sig mot täta områden, där de samlas. Studien publicerades i Naturfysik .

"Det är som om bilar styrde mot trånga områden och gjorde publiken ännu större, " förklarade Steve Granick, chef för IBS Center for Soft and Living Matter i Ulsan, Sydkorea. Självgående partiklar har interna motorer som gör att de kan röra sig på egen hand. Exempel inkluderar bakterier, däggdjursceller, och även människor. System av självgående partiklar är ett exempel på aktiv materia - ett växande forskningsfält.

Under det senaste decenniet, forskare har försökt förstå kondens, eller vätske-gas fasseparation, i aktiv materia. Det tidiga arbetet visade att till skillnad från passiva vätskemolekyler, självgående partiklar kan kondensera även om de inte attraherar varandra.

Tidigare arbete visade att "rörliga partiklar kolliderar med varandra och fastnar i kollisionen ett tag, låta andra partiklar gå med och skapa en trafikstockning, sa Ricard Alert, en postdoktor vid Princeton Center for Theoretical Science och en av den nya studiens första författare.

"I dessa system, partiklarna separeras i två faser:täta kluster där de knappt kan röra sig, och en utspädd gas där de rör sig snabbt, " förklarade Ned Wingreen, Princeton Universitys Howard A. Tidigare professor i biovetenskap.

I det nya verket, forskargruppen studerade självgående partiklar syntetiserade i labbet. "Vi tog mikroskopiska glaskulor och vi belade en halvklot med ett tunt metallskikt, " förklarade Jie Zhang, en postdoktor vid University of California i Santa Barbara, U.S., och en av studiens första författare.

Partiklarna har en glasyta och en metallisk yta; de är kända som Janus-partiklar för att hedra den tvåsidiga romerska guden.

När forskarna använde ett elektriskt fält, partiklarna började rinna med glasytan framför och metallytan på baksidan. Som förväntat, partiklarna började omedelbart kondenseras till kluster. Dock, forskarna blev förvånade över att se att, till skillnad från i täta trafikstockningar, partiklarna i klustren fortsatte att röra sig snabbt.

"Istället för att fastna, klustren vimlade av partiklar som kontinuerligt rörde sig in och ut, " sade Zhang. "Det här fyndet var både spännande och spännande."

Observationen innebar att långsammare rörelse av partiklar i kluster inte kunde förklara kondens i detta fall, vilket fick teamet att utveckla en teori för det kollektiva beteendet hos aktiva Janus-partiklar. Teamet upptäckte att snarare än att fastna som i en bilkö, partiklar roterar mot täta områden. Partiklarna orienterar om och driver sedan själv mot folkmassan.

"Detta är en ny mekanism för kondensering som är baserad på hur partiklar omorienterar varandra, ", sa Alert. "Detta fynd ger en ny idé på fältet, visar att inte bara krafter utan även vridmoment kan producera kondens och vätske-gas fasseparation."

Den nya mekanismen gör att partiklar kan fortsätta röra sig även i täta kluster. Forskarna är därför hoppfulla om att deras resultat kommer att vägleda framtida arbete för att själv sammanställa dynamiska grupper av aktiva agenter, från mikroskopiska partiklar till människor och robotar, som snabbt går in i och ut ur ett kluster.

"En sådan snabb omsättning kan visa sig användbar som en strategi för ett effektivt utbyte av information mellan individer i en grupp, " sa Granick.