Kolloider - blandningar av partiklar gjorda av ett ämne, spridda i ett annat ämne – dyker upp på många områden i vardagen, inklusive kosmetika, mat och färgämnen, och bildar viktiga system i våra kroppar. Att förstå kolloidernas beteende har därför vidsträckta implikationer, ändå har det varit utmanande att undersöka rotationen av sfäriska partiklar. Nu, ett internationellt team inklusive forskare från University of Tokyo Institute of Industrial Science har skapat partiklar med en off-center kärna eller "öga" som kan spåras med hjälp av mikroskopi. Deras resultat publiceras i Fysisk granskning X .

Partiklar suspenderade i en vätska rör sig från en plats till en annan som ett resultat av Brownsk rörelse, som lätt kan upptäckas med ett mikroskop. Dock, dessa partiklar roterar också, vilket är mycket svårare att se om de är sfäriska.

Forskarna övervann detta genom att skapa partiklar gjorda av två olika färger av samma material. Kärnsfären - som de kallar ögat - är placerad utanför partikelns yta. Det ger en punkt som kan följas under ett mikroskop för att bestämma orienteringsändringarna när partikeln roterar.

"Rotationen av en kolloidal partikel berättar om den omgivande hydrodynamiken - rörelsen hos den suspenderande vätskan - och kontaktkrafterna, såsom friktion. Dock, för att få hela bilden i en tät suspension, alla partiklar måste spåras på en gång, " förklarar studiens motsvarande författare professor Hajime Tanaka. "Utöver att ge en punkt att spåra över tid, densiteten och brytningsindexet för våra partiklar kan matchas så att de nödvändiga 3D-bilderna kan erhållas."

Genom att spåra en tät suspension av laddade partiklar som bildar en kolloidal kristall - som har ett ordnat arrangemang av partiklar - fann man att rotationen av angränsande sfärer kopplades och flyttades i motsatta riktningar, som maskade kugghjul.

Dessutom, ett system med oladdade partiklar visade att det fanns ett samband mellan lokal kristallinitet - ordningen i den omedelbara omgivningen - och den roterande diffusiviteten, som beskriver processen för att orienteringen återvinner jämvikt.

Forskarna observerade också "stick-slip" rotationsrörelser mellan partiklar som kommer i kontakt, där en stor granne kunde stoppa en partikels rörelse genom friktion.

"Vårt system har gett välbehövlig insikt i hydrodynamisk och friktionskoppling i mycket täta kolloider, " säger en annan motsvarande författare professor Roel Dullens. "Vi förväntar oss att våra resultat kommer att ha en betydande inverkan på utformningen av industriella processer som involverar kolloider, såväl som om förståelsen av biologiska processer."