Aktywne koloidy to tak naprawdę mikro- i nanoskalowe cząstki, które poruszają się w lepkich cieczach jak prymitywne mikroorganizmy. Naukowcy z Columbia Engineering pod kierownictwem prof. Kyle’a Bishopa dokonali przełomu, bo stworzyli roboty koloidalne, które mogą zachowywać się jak organizmy żywe. Wyniki prac zostały opublikowane w “Physical Review Letters”.
Aktywne koloidy jak żywe
Zespół prof. Bishopa poinformował o wykorzystaniu pól elektrycznych prądu stałego do napędzania rotacji mikrocząstek w elektrycznych warstwach granicznych. Oznacza to, że powstały molekularne “zegary”, które mogą być przydatne do koordynacji aktywnej materii, a może i nawet sterowania funkcjami mikrorobotów.
Malutkie oscylatory cząsteczkowe mogą umożliwić powstanie nowych rodzajów aktywnej materii, łączących w sobie zachowania samobieżnych koloidów i synchronizowania sprzężonych oscylatorów. Spodziewamy się, że interakcje pomiędzy cząsteczkami będą zależały od ich pozycji i faz, co umożliwi bogatsze zachowania zbiorowe – zachowania, które można zaprojektować i wykorzystać do zastosowań w roju robotów.prof. Kyle Bishop
Badania nad aktywnymi koloidami mają na celu stworzenie mikro- i nanoskalowych cząstek, które pływają w lepkich płynach jak prymitywne organizmy. Wykazano, że cząsteczki te mogą się stabilnie przemieszczać dzięki tzw. obrocie Quinckego. Jest to fizyczny efekt na nieprzewodzących cząstkach w zawiesinie, które są wystawione na działanie pola elektrycznego.
Nasza niedawna obserwacja koloidalnych sfer oscylujących tam i z powrotem w stałym polu elektrycznym stanowiła pewną zagadkę, którą chcieliśmy rozwiązać. Zmieniając rozmiar cząstek, natężenie pola i przewodnictwo cieczy, zidentyfikowaliśmy warunki eksperymentalne niezbędne do powstania oscylacji i odkryliśmy mechanizm leżący u podstaw rytmicznej dynamiki cząstek.Zhengyan Zhang, doktorant w laboratorium Bishopa, który odkrył ten efekt
Zespół eksperymentował z różnymi kształtami cząstek i odkrył, że może generować oscylacje z dowolnymi cząstkami, pod warunkiem, że ich rozmiar jest porównywalny z rozmiarem warstwy granicznej.
Ograniczona szybkość generowania ładunków w tych słabych elektrolitach tworzy warstwę graniczną porównywalną do wielkości cząstki pod silnym polem elektrycznym, co zostało stwierdzone numerycznie przez mojego doktoranta Hang Yuana, współautora pracy. W rezultacie “przewodność” jonów wokół cząstek, które znajdują się w obrębie dużej warstwy granicznej, nie jest stała, co prowadzi do obserwowanych oscylacji przy silnych polach elektrycznych.Monica Olvera de la Cruz z Northwestern Engineering