En utmanande gräns inom vetenskap och ingenjörsvetenskap är att kontrollera materia utanför termodynamisk jämvikt för att bygga materialsystem med förmågor som kan konkurrera med levande organismer. Forskning om aktiva kolloider syftar till att skapa mikro- och nanoskala "partiklar" som simmar genom trögflytande vätskor som primitiva mikroorganismer. När dessa självgående partiklar samlas, de kan organisera och röra sig som fiskstim för att utföra robotfunktioner, som att navigera i komplexa miljöer och leverera "last" till riktade platser.

Ett Columbia Engineering-team ledd av Kyle Bishop, professor i kemiteknik, ligger i framkant när det gäller att studera och designa dynamiken hos aktiva kolloider som drivs av kemiska reaktioner eller av extern magnetisk, elektrisk, eller akustiska fält. Gruppen utvecklar kolloidala robotar, där aktiva komponenter interagerar och sätts samman för att utföra dynamiska funktioner inspirerade av levande celler.

I en ny studie publicerad idag av Fysiska granskningsbrev , Biskopsgrupp, arbetar med medarbetare vid Northwestern Universitys Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES), rapporterar att de har visat användningen av elektriska likströmsfält för att driva fram och tillbaka rotation av mikropartiklar i elektriska gränsskikt. Dessa partikeloscillatorer kan vara användbara som klockor som koordinerar organiseringen av aktiv materia och till och med, kanske, orkestrera funktionerna hos robotar i mikronskala.

"Små partikeloscillatorer kan möjliggöra nya typer av aktiv materia som kombinerar svärmningsbeteendet hos självgående kolloider och synkroniseringsbeteendet hos kopplade oscillatorer, " säger Bishop. "Vi förväntar oss att interaktioner mellan partiklarna beror på deras respektive positioner och faser, vilket möjliggör rikare kollektiva beteenden – beteenden som kan designas och utnyttjas för tillämpningar inom svärmrobotik."

Att göra en pålitlig klocka på mikronskalan är inte så enkelt som det kan låta. Som man kan föreställa sig, pendelklockor fungerar inte bra när de är nedsänkta i honung. Deras periodiska rörelse – som för alla tröghetsoscillatorer – stannar under tillräckligt motstånd från friktion. Utan hjälp av tröghet, det är på samma sätt utmanande att driva den oscillerande rörelsen av partiklar i mikronskala i viskösa vätskor.

"Vår senaste observation av kolloidala sfärer som oscillerar fram och tillbaka i ett elektriskt DC-fält presenterade lite mysterium, en vi ville lösa, " konstaterar tidningens huvudförfattare, Zhengyan Zhang, en Ph.D. student i Bishop's lab som upptäckte denna effekt. "Genom att variera partikelstorleken, fältstyrka, och vätskeledningsförmåga, vi identifierade experimentella förhållanden som behövs för svängningar och avslöjade mekanismen bakom partiklarnas rytmiska dynamik."

Tidigare arbete har visat hur liknande partiklar kan rotera stadigt genom en process som kallas Quincke-rotation. Som ett vattenhjul fyllt från ovan, Quincke-instabiliteten drivs av ackumuleringen av elektrisk laddning på partikelytan och dess mekaniska rotation i det elektriska fältet. Dock, existerande modeller av Quincke-rotation – och av överdämpade vattenhjul – förutsäger inte oscillerande dynamik.

Denna nya studie karakteriserar och förklarar de "mystiska" svängningarna med hänvisning till ett gränsskikt i den opolära elektrolyten. Inom detta lager, ofta ignoreras av forskare, laddningsbärare genereras och vandrar sedan bort under påverkan av det elektriska fältet. Dessa processer introducerar rumsliga asymmetrier i hastigheten för laddningsackumulering vid partikelytan. Som ett vattenhjul vars hinkar läcker snabbare upptill än i botten, asymmetrisk laddning kan leda till rotation fram och tillbaka vid höga fältstyrkor.

"Den begränsade genereringshastigheten för laddningar i dessa svaga elektrolyter skapar ett gränsskikt som är jämförbart med storleken på partiklar under ett starkt elektriskt fält, som hittats numeriskt av min Ph.D. student Hang Yuan, en medförfattare till verket. Som ett resultat, "ledningsförmågan" för joner runt partiklar som finns inom det stora gränsskiktet är inte konstant, leder till de observerade svängningarna vid starka elektriska fält, " säger Monica Olvera de la Cruz, Advokat Taylor professor i materialvetenskap och teknik, Kemi och (med tillstånd) kemi och biologisk teknik, Fysik och astronomi vid Northwestern Engineering.

"Detta arbete visar ett sätt att generera oscillatorer, vilket kan leda till uppkomsten av kooperativa fenomen i vätskor, " tillägger hon.

Teamet experimenterade med olika former av partiklar och fann att de kunde generera svängningar med vilka partiklar som helst, förutsatt att deras storlek var jämförbar med gränsskiktets.

"Genom att justera fältstyrkan och/eller elektrolyten, vi kan förutsägbart kontrollera frekvensen för dessa Quincke-klockor, "" Bishop tillägger. "Vårt papper möjliggör design av nya former av aktiv materia baserad på samlingar av mobila oscillatorer."

Teamet studerar för närvarande de kollektiva beteenden som uppstår när många Quincke-oscillatorer rör sig och interagerar med varandra.