Fysiker vid University of Michigan har utarbetat ett sätt att manipulera aktiva vätskor, en typ av vätska som består av individuella enheter som kan driva sig själva, genom att dra fördel av topologiska defekter i vätskorna.
Forskarna visade att de kunde använda en pincett som liknar en optisk pincett – högfokuserade lasrar som kan användas för att knuffa runt atomer och andra mikroskopiska och submikroskopiska material – för att manipulera vätskornas topologiska defekter och kontrollera hur dessa aktiva vätskor flödar. Studien, ledd av UM-fysikern Suraj Shankar, publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Man kan tänka sig en aktiv vätska som en flock fåglar, säger Shankar. I ett sorl, ett enormt moln av starar, kommer fåglar att vrida sig och vända sig unisont och skapa former av molnet. Men medan sorlet ser ut som att det rör sig som en organism, är rörelsen gjord av individuella fåglar som drivs av sina individuella uppsättningar vingar.
På liknande sätt är aktiva vätskor sammansatta av enskilda komponenter som bakterier i vatten eller atomer i en kristall, men varje enhet rör sig på egen hand om den lyser med ljus eller ges "mat" via en kemisk reaktion, enligt Shankar. Forskare har tidigare konstruerat bakterier så att när de lyser på bakterierna simmar vissa bakterier i vätskan snabbare och andra simmar långsammare.
"Och du kan ändra det mönstret som du vill. Genom att ändra hastigheten med vilken bakterierna simmar lokalt kan du måla ansikten på kända personer, eller ändra det och skapa ett landskap", säger Shankar, biträdande professor i fysik vid U-M.
"Med tanke på att dessa experimentella plattformar finns och vi nu kan manipulera dessa material genom att kontrollera hastigheten med vilken saker rör sig, frågade vi:Kan vi utveckla ett ramverk där vi kan kontrollera de lokala hastigheterna för saker som innehåller aktiva vätskor så att vi kan kontrollera dem på ett systematiskt sätt?"
I forskargruppen ingår också medförfattarna Cristina Marchetti och Mark Bowick från University of California Santa Barbara och Luca Scharrer, som utförde mycket av forskningen som grundutbildning vid UCSB.
Teamet fokuserade på en populär aktiv vätska som kallas nematisk vätska, sammansatt av flytande kristaller - samma typ av flytande kristaller som består av smartphones, surfplattor och datorskärmar. Dessa flytande kristaller är vätskor som består av långa molekyler som kan radas upp och ordnas som tändstickor i en tändsticksask eller timmerstockar som staplas och rinner nerför en flod, säger Shankar.
Men när de drivs av kemiska reaktioner blir dessa nematiska vätskor aktiva och har förmågan att pumpa vätska, vilket gör att de kan röra sig utan externa krafter eller tryckgradienter.
Shankar och kollegor använde denna karakteristiska egenskap och tillämpade principer för symmetri, geometri och topologi från matematik för att utveckla designprinciper som gör det möjligt för forskarna att kontrollera banan för individuella kristaller i de nematiska vätskorna.
Deras metoder förlitar sig på skillnader i hur dessa stavliknande föremål radas upp i vätskan. De kan vara felinriktade vid vissa punkter, vilket gör att de flytande kristallerna böjer sig runt felinställningspunkten, som en bubbelpool i en flod.
Detta skapar olika mönster i vätskan, liknande åsarna på dina fingeravtryck, säger Shankar. I flytande kristaller finns det punkter där raden av kristaller kommer att böja sig och se ut som en komet, eller bilda en symbol som ser ut som Mercedes-logotypen.
Om du tillför energi till systemet och gör vätskan aktiv kommer dessa mönster, kallade topologiska defekter, att leva.
"Dessa mönster börjar röra sig och de driver och rör om vätskan, nästan som om de vore faktiska partiklar," sa Shankar. "Att kontrollera dessa individuella mönster som är förknippade med defekterna verkar vara ett enklare jobb än att kontrollera varje mikroskopisk komponent i en vätska."
Projektet började när Scharrer utvecklade simuleringar för att modellera aktivt vätskeflöde och spåra placeringen av topologiska defekter, i ett försök att testa en hypotes från Shankar och Marchetti. Genom att visa sina simuleringsresultat för de andra forskarna fann Scharrer och teamet hur dessa komplexa svar kunde förklaras matematiskt och omvandlas till designprinciper för defektkontroll.
I studien skapade Scharrer sätt att skapa, flytta och fläta topologiska mönster med hjälp av vad de kallar aktiv topologisk pincett. Dessa pincett kan transportera eller manipulera dessa defekter längs rymd-tidsbanor som om de vore partiklar, genom att kontrollera strukturen och omfattningen av de regioner där kemisk aktivitet driver vätskepumpning. Den resulterande rörelsen av den aktiva vätskan runt virvlarna av de topologiska defekterna möjliggör deras oändliga rörelse.
"Jag tycker att det här arbetet är ett vackert exempel på hur nyfikenhetsdriven forskning, jämfört med problem- eller vinstdrivet arbete, kan leda oss i helt oväntade tekniska riktningar", säger Scharrer, numera doktorand vid University of Chicago.
"Vi startade det här projektet för att vi var intresserade av topologiska defekters grundläggande fysik och av misstag snubblade in i ett nytt sätt att kontrollera aktiva biologiska och bioinspirerade vätskor. Om vi hade haft det slutmålet i åtanke från början, vem vet om vi skulle ha hittat något alls."
Forskarna visar också hur enkla aktivitetsmönster kan kontrollera stora samlingar av virvlande defekter som kontinuerligt driver turbulenta blandningsflöden.
Shankar säger att även om fältet är nytt, och deras metod är bevisad med hjälp av beräkningsmodeller vid denna tidpunkt, kan människor en dag använda detta koncept för att skapa mikrotestsystem för diagnostiska ändamål eller för att skapa små reaktionskammare. En annan potentiell tillämpning skulle kunna vara inom området mjuk robotik eller mjuka system, där beräkningskapaciteten skulle kunna fördelas över mjuka, flexibla material.
"Det här är ovanliga typer av vätskor som har mycket spännande egenskaper, och de ställer mycket intressanta frågor inom fysik och teknik som vi förhoppningsvis kan uppmuntra andra att tänka på," sa Shankar.
"Med tanke på detta ramverk i detta system som vi demonstrerar kan förhoppningsvis andra ta liknande idéer och tillämpa det på sin favoritmodell och favoritsystem, och förhoppningsvis göra andra upptäckter som är lika spännande."
