Snurra en mery-go-round tillräckligt snabbt och ryttarna flyger iväg i alla riktningar. Men de snurrande partiklarna i ett Rice University -lab gör precis tvärtom.

Experiment i Rice lab av kemiingenjören Sibani Lisa Biswal visar sfärer i mikronstorlek som samlas under påverkan av ett snabbt snurrande magnetfält. Det är ingen överraskning eftersom själva partiklarna är magnetiserade.

Men hur de kommer ihop är av intresse när partiklarna först samlas i ett oorganiserat aggregerat kluster och sedan till ett kristallliknande upplägg när magnetfältet blir starkare.

Resultat av arbetet som leds av Biswal och doktoranden Elaa Hilou visas i Physical Review Materials. Forskarna hoppas att det kommer att inspirera till sätt att se på, modellera och skapa nya tvådimensionella material som avstämbara katalysatorer eller kolloider som kan förändra deras yta vid behov.

Experiment avslöjade gränser, former, fasövergångar och skapande och upplösning av kristallliknande defekter mellan 300 och 1, 500 magnetiserade sfärer följde deras energiska impulser under det rörliga fältets inflytande.

"Jag har presenterat detta som en miniatyriserad version av en fidget spinner där vi använder magnetfältet för att generera en isotrop interaktion runt partiklarna, "Biswal sa." Vi kan skapa partikelensembler som är löst till mycket tätt packade av styrkan i den interaktionen. "

Det där intresserade Biswal och Hilou, men inte så mycket som vad de såg hända runt kanterna, där linjespänning bildad av de yttersta partiklarna bestämde matrisernas slutliga form.

"Tänk på en tvålbubbla, "Sa Biswal." Det bildar alltid en sfär, även när du försöker deformera det. Det beror på att ytspänningen vill minimera sin yta. Det är samma sak för vårt system, men i två dimensioner. Interaktionerna försöker alltid minimera det vi kallar linjespänningen.

"Elaa hittar Gibbs -gränssnittet och mäter energin vid det gränssnittet där det går från många partiklar tjocka (vid låga magnetfältstyrkor) till nästan en enda partikel tjock genom att ändra interaktionsstyrkan, "sa hon." Hon har gjort en hel del analys av linjespänningen och hur den relaterar till energin i systemet. "

Nästa steg är att skapa fysiska, rörliga modeller för riktiga system för att se hur beståndsdelarna reagerar när de störs. "Det finns ett stort intresse för att försöka skapa modeller för atom- och molekylsystem, "Biswal sa." Det mesta har gjorts genom beräkningssimuleringar, men här har vi ett experimentellt system som kan förverkliga struktur och processer som koalescens. "

"Till exempel, vid katalys, om du vill öka ytarean, du vill ha fler tomrum för att underlätta kontakt mellan en katalysator och en reaktion, "Sa Hilou." Genom att öka koncentrationen och kontrollera fältet, vi kan börja se tomrum och styra gränssnittet relativt massan. "

Tekniken kan modellera emulsioner, Hon sa. "Säg att du har olja och vatten och att du vill fasseparera dem, "Sa Hilou." När det gäller kosmetika och livsmedelsindustrin, du vill att emulsionerna ska vara stabila. Vi vill kunna efterlikna deras dynamik genom att kontrollera partikelstorlek och fältstyrka. "

Biswal sa att tekniken också kan användas för att modellera system där temperatur, snarare än elektromagnetism, är föraren. På områden som metallurgi, defekter avlägsnas "genom att höja temperaturen för att ge molekyler mer frihet att flytta korngränser och tomrum, "sa hon." Sedan sänker de temperaturen för att låsa in strukturerna.

"Det vi har är en urtavla som inte bara efterliknar effekterna av temperatur med ett magnetfält utan också erbjuder möjligheten att genom ett mikroskop se vad som händer i ett faktiskt system, "Sa Biswal.

Risutbildad alumn Di Du, nu forskningsstatistisk analytiker vid University of Texas MD Anderson Cancer Center, och doktoranden Steve Kuei är medförfattare till tidningen. National Science Foundation stödde forskningen.