System för aktiv materia har unika beteenden som inkluderar kollektiva självmonterande strukturer och kollektiv migrering. Men ansträngningarna att förverkliga kollektiva enheter i utrymmen utan väggfast stöd, för att utföra tredimensionell förflyttning utan spridning, är utmanande.
I en ny studie, publicerad i Science Advances , Mengmeng Sun och ett forskarlag inom maskinteknik och fysisk intelligens i Kina och Tyskland, var bioinspirerade av migrationsmekanismer för plankton och föreslog en bimodal aktiveringsstrategi genom att kombinera magnetiska och optiska fält.
Medan magnetfältet utlöste självmontering av magnetiska kolloidala partiklar för att upprätthålla många kolloider som en dynamiskt stabil enhet, tillät de optiska fälten de kolloidala kollektiven att generera konvektivt flöde genom fototermiska effekter för 3D-drift. Kollektiven utförde 3D-rörelse under vattnet för att ge insikter i designen av smarta enheter och intelligenta material för syntetiskt aktivt material som kan reglera kollektiva rörelser i 3D-rymden.
Aktiv levande materia är allmänt förekommande i naturen och erbjuder självmonterade kollektiv som kan utföra komplexa uppgifter som överträffar individuella förmågor, som inkluderar fågelflockar och kolonier av bakterier.
Bioinspirerat av naturliga kollektiv är det möjligt att undersöka kolloider som byggstenar för material, ungefär som atomer som bildar byggstenar av molekyler och kristaller. Kolloidal självmontering kan studeras som en metod för att tillverka nanostrukturer med tekniska implikationer för att bygga elektronik i nanoskala, energiomvandling eller lagring, läkemedelsleverans och katalysatorer.
Processen för kolloidal sammansättning kan styras på ett mönstrat substrat eller genom Langmuir-Blodgett-montering, för sammansättning i fibrer och celler och som kemiska signaler.
I detta arbete presenterade Mengmeng Sun och ett team av forskare ett nytt tillvägagångssätt för att uppnå 3D-motilitet hos kolloidala kollektiv utan spridning. Det kolloidala kollektivet bestod av ferrofluidiska kolloidala järnpartiklar med en diameter under 1 μm, drivna av ett skräddarsytt roterande magnetfält för att självmontera till ett dynamiskt stabilt kollektiv.
Teamet fokuserade på optiskt konvektivt flöde med hjälp av vätskeströmmar för 3D-drift – bioinspirerat av plankton. Sun och teamet diskuterade metoderna för övergångar av kolloidala kollektiv för att undersöka deras rörelseförmåga på vattenytor. Resultaten kulminerade i kolloidala kollektiv med 3D-mobilitet för att anpassa sig till komplexa miljöer med fysisk intelligens för förflyttning, självmontering och reglering.
Sun och forskargruppen antog en bimodal aktiveringsstrategi för magnetiska och optiska fält för att förverkliga 3D-rörelse för kolloidala kollektiv.
I det första steget utlöste de bildandet av kolloidala kollektiv genom att införliva ett magnetfält som innehåller tre justerbara parametrar, inklusive stigningsvinkel, frekvens och styrka. Till en början, i frånvaro av ett magnetfält, uppvisade ferrofluidkolloiderna Brownsk rörelse efter att ha satt sig.
När de väl hade strömmats av det skräddarsydda roterande magnetfältet, sammanställde de sig själv för att bilda små primitiva kollektiv, kända som icke-jämviktskolloidala kollektiv som fortsatte att öka i storlek och smälta samman med närliggande partiklar för att bidra till deras tillväxt; forskarna bekräftade detta genom att använda simuleringar.
Det kolloidala kollektivets morfologi berodde på styrkan och frekvensen hos det applicerade magnetfältet, vilket gjorde att kollektivet kunde bibehålla sin integritet, vilket utlöste bildandet och upprätthållandet av dess dynamiska stabilitet.
Temperaturgradient
De spridda ferrofluidkolloidala partiklarna absorberade nära-infrarött ljus för att omvandla det till värmeenergi, vilket gav upphov till en lokal temperaturgradient. Temperaturgradienten inducerade ett konvektivt flöde för att bära partiklarna uppåt för att samlas till ett kollektiv med en förbättrad fototermisk effekt. Detta resulterade i upprätthållandet av en dynamiskt stabil enhet, utan att sönderfalla.
I avsaknad av ett nära-infrarött optiskt fält kyldes det kolloidala kollektivet ner med en försvagad hydrodynamisk kraft för att gradvis sjunka under gravitationen.
Dessa prover justerade därför det optiska fältet för konvektion och uppnådde vertikal uppåtgående, svävande och riktad horisontell rörelse. Eftersom den hydrodynamiska kraften var större än gravitationen, tryckte konvektionen kollektivet uppåt vertikalt, vilket gjorde att det kolloidala kollektivet kunde sväva under vattnet. Genom att reglera det optiska fältet styrde Sun och team kolloidkollektivets rörelse och justerade sina positioner under vattnet.
Forskarna undersökte det kolloidala kollektivets förmåga att bryta igenom vattenytan med hjälp av inducerat konvektionsflöde; för att indikera hur proverna lyckades lämna vattnet genom att övervinna vattnets ytspänning.
De kolloidala kollektiven övervann ytspänning och gravitation för välreglerade övergångar genom vattenytan för att dyka ner i vatten vid en önskad plats och tid. Forskarna analyserade konstruktionerna genom att använda flytkraft, hydrodynamisk kraft från konvektion, ytspänning och gravitation.
Sun och teamet utforskade dessa effekter på konventionella mikrorobotkollektiv för att introducera rumsligt symmetriska interaktioner för förflyttning under vattnet och på vattenytan. Teamet använde magnetiska och optiska fält för att driva rörelsen av sådana mikrorobotkollektiv på vattenytan, där de klättrade på vattenmenisken för transport som drivs av ett optiskt fält. Sådana instrument som kallas ytvandrare kan korsa hinder som är större än deras egen storlek och kringgå höga barriärer för tillämpningar inom miljövetenskap, medicin och teknik.
På detta sätt blev Mengmeng Sun och kollegor bioinspirerade av planktonets migrationsmekanismer för att driva kolloidala kollektiv att röra sig i 3D-rymden utan gränser. Teamet kombinerade magnetiska och optiska fält för välformad och reglerad 3D-rörelse av aktiva kolloidala kollektiv i en vattenmiljö, med de kombinerade optiska och magnetiska fälten för att underlätta 3D-rörelse.
Dessa sediment och kolloidala system ger en kraftfull process för att utforska fysiken för självmontering och utveckla en praktisk metod för att syntetisera funktionella material.
De levande systemen kan bilda självmonterade kolloidala kollektiv under yttre magnetfält, för att skapa strukturer som kan styras genom utrymmen och gränssnitt, för att uppnå ovanliga geometrier och mönster.
Sun och team har för avsikt att undersöka dessa kollektiv och deras komplexitet för materialsyntes och design. Dessa dubbelresponsiva konstruktioner kan fungera som mikrorobotkollektiv för miljöanpassning med praktiska tillämpningar i biovätskor med hög viskositet och höga jonkoncentrationer med breda tillämpningar inom biomedicinsk teknik.
Mer information: Mengmeng Sun et al, Bioinspirerade självmonterade kolloidala kollektiv som driver i tre dimensioner under vattnet, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj4201
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
