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    Estrutura reconfigurável e transporte ajustável em materiais giratórios ativos sincronizados

    Simulando velocidade, simplifica, e campos de fluxo de vorticidade induzidos por spinners síncronos em uma superfície de água, conforme obtido em experimentos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz8535

    Os colóides atuados são excelentes sistemas modelo para investigar estruturas emergentes fora de equilíbrio, dinâmicas coletivas complexas e regras de design para materiais de última geração. Em um novo relatório, Koohe Han e uma equipe de pesquisa suspenderam micropartículas ferromagnéticas em uma interface ar-água e as energizaram com um campo magnético rotativo externo para formar conjuntos dinâmicos de spinners sincronizados. Cada spinner gerou fluxos hidrodinâmicos fortes com interações coletivas entre vários spinners para promover a formação de rede dinâmica. Usando experimentos e simulações, eles revelaram transições estruturais do estado líquido para o estado quase cristalino, demonstrando a natureza reconfigurável de redes giratórias dinâmicas. Os materiais apresentaram comportamento de autocura e transportaram partículas inertes de carga incorporadas, sintonizado pelos parâmetros de excitação externa. As descobertas agora são publicadas em Avanços da Ciência , e fornecer informações sobre o comportamento de materiais giratórios ativos com ordem estrutural reconfigurável e funcionalidades ajustáveis.

    Partículas fora de equilíbrio podem atribuir regras de design para materiais reconfiguráveis ​​de próxima geração devido ao seu potencial de auto-organização. Os cientistas podem controlar os parâmetros do campo de excitação que são baseados em um influxo de energia externa de um campo elétrico ou magnético para mudar a resposta dinâmica e coletiva de partículas atuadas em um processo regulado. Esses sistemas ativos orientados a campo são candidatos promissores para aplicações em purificação de água e distribuição direcionada de drogas, ajustando suas propriedades de transporte sob demanda. Pesquisas recentes têm se concentrado em partículas autopropelidas que variam de encadeamento dinâmico e agrupamento a aglomeração e turbulência ativa. Explorar a automontagem dinâmica de partículas coloidais pode fornecer uma técnica robusta para gerar grandes conjuntos de spinners microscópicos. Esses spinners não são blocos de construção fáceis para a montagem dinâmica, pois giram em direções aleatórias e se desintegram.

    Para obter melhor controle e ajuste do material giratório ativo, a equipe desenvolveu um sistema de spinners automontados em corrotação síncrona que são estáveis ​​e eficientemente acoplados por meio de fluxos hidrodinâmicos auto-induzidos. Nesse trabalho, Han et al. relataram a formação dinâmica de enxames de spinners sincronizados e automontados a partir de partículas ferromagnéticas de níquel (Ni) suspensas em uma interface ar-água e energizadas com um campo magnético rotativo no plano. Os spinners automontados geraram fortes fluxos hidrodinâmicos para causar um conjunto de fases dinâmicas coletivas. Han et al. experimentos e simulações combinados para investigar as propriedades estruturais e de transporte desses materiais giratórios ativos, as descobertas fornecerão uma visão sobre as propriedades dos materiais giratórios sintéticos ativos para transporte de partículas e manipulação em microescala.

    Montagem de spinners de multipartículas acionada por campo magnético. (A) Esquemas de um estado disperso de partículas de Ni sob um campo magnético estático ao longo da direção z. (B) Montagem de spinners sob a influência de um campo magnético rotativo aplicado no plano xy (o instantâneo inferior é uma imagem experimental representativa). (C) Tamanho do spinner em função da frequência do campo fH em ρ =0,006 σ − 2. O comprimento da corrente, LS, é normalizado pelo diâmetro da partícula, σ (90 μm). A linha sólida é uma curva teórica calculada. Inserção:número Reynolds, Ré, dos spinners em função de fH. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz8535

    A equipe aplicou um campo magnético estático perpendicular à interface ar-água para permitir a automontagem dinâmica de spinners de partículas de níquel ferromagnético suspensas. Eles energizaram o sistema usando um campo magnético rotativo externo aplicado no plano com a interface. A automontagem dos spinners foi totalmente reversível e controlada por meio de parâmetros do campo externo, para montar spinners de multipartículas acionadas por campo magnético em estruturas quase semelhantes a redes. Os spinners magnéticos descritos nos experimentos e simulações diferiram em dois aspectos importantes dos discos rotativos previamente projetados. Especificamente, (1) a atração magnética entre as partículas era forte o suficiente para superar a repulsão e formar cadeias, e (2) a alta anisotropia dos spinners permitiu que o campo de fluxo variasse periodicamente no tempo.

    Han et al. observou grandes conjuntos de fiandeiros auto-montados sincronizados para exibir auto-organização dinâmica e calculou a ordem orientada por ligação hexagonal para quantificar a ordenação local dos fiandeiros. Mudanças no valor médio dos parâmetros de ordem de ligação hexagonal de redes de spinner revelaram uma transição clara da fase líquida para as fases cristalinas com o aumento da densidade do spinner. Em baixa densidade, os spinners mantiveram o comportamento de líquido - conforme a densidade aumentou, eles se tornaram mais restritos em seus movimentos para formar redes giratórias auto-organizadas.

    A ordenação local das redes spinner obtidas experimentalmente. (A) Uma rede dinâmica formada por spinners em fH =45 Hz e ρ =0,0164 σ − 2. O diagrama de Voronoi é sobreposto com a rede observada. Os spinners estão borrados devido ao longo tempo de exposição que permitiu a identificação precisa dos eixos de rotação para todos os spinners. Barra de escala, 1 mm. (B) A distribuição de probabilidade do parâmetro de ordem de orientação da ligação hexagonal ∣ψ6∣ nas redes giratórias em fH =45 Hz como uma função de ρ. (C) O valor médio ψ6 das redes do spinner ilustra a transição de fase dinâmica de líquido para cristalino com a densidade do spinner ρ. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz8535

    As simulações capturaram de forma semelhante a ordem de spinners de tipo líquido em baixas densidades, embora sua transição para sólidos não fosse tão pronunciada em comparação com os experimentos. Para investigar e caracterizar a ordem estrutural das redes giratórias dinâmicas em detalhes, a equipe analisou as posições relativas dos spinners dentro do conjunto e observou os spinners se auto-organizarem em redes com espaçamento entre spinners dependente de frequência bem definido em altas densidades. As redes de spinners sincronizados formaram uma nova classe de cristais ativos acompanhados por um campo de fluxo vortical vigoroso. As redes de spin auto-organizadas mantiveram a capacidade de autocura, qual Han et al. mostrado ao destruir intencionalmente a estrutura giratória com uma grande conta de vidro passando por sua interface - uma vez que a conta passou pela interface, o local afetado foi auto-reparado em alguns segundos.

    Comportamento de autocura em redes giratórias ativas. (A a D) Instantâneos de uma rede giratória demonstrando o processo de autocura:(A) Uma rede giratória em fH =90 Hz, ρ =0,0112 σ − 2, (B) o momento do arrebatamento da rede por uma conta de 3 mm, (C) a rede é fraturada localmente pelo cordão, e (D) rede auto-reparada espontaneamente. Barra de escala, 5 mm. (E) A evolução temporal do parâmetro de ordem orientacional da ligação média ψ6 na região fraturada da rede spinner. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz8535

    Os fortes fluxos hidrodinâmicos subjacentes auto-induzidos indicavam a possibilidade de uma rede de fiandeiras sincronizadas para transportar com eficácia as partículas de carga passiva. Para caracterizar isso, os cientistas determinaram o coeficiente de difusão para uma partícula não magnética passiva colocada dentro de uma rede giratória dinâmica rastreando seu deslocamento quadrático médio (MSD). Eles se referiam ao transporte de partículas como difusão ativa - uma vez que os resultados eram ordens de magnitude maiores do que aqueles correspondentes ao movimento browniano térmico passivo. Eles ajustaram com eficiência o coeficiente de difusão ativo com base na frequência do campo externo. O comportamento do sistema contribuiu para mudanças nas distâncias spinner-spinner dentro da rede para formar um efeito de enjaulamento em um talão de carga passivo e evitar sua saída da célula. Muito parecido com os experimentos, as simulações mostraram movimento e difusão aprimorados para partículas traçadoras pequenas e grandes, Contudo, Han et al. não observou dependência de frequência para o coeficiente de difusão durante a simulação em comparação com os experimentos. Os cientistas, portanto, sugerem o uso de simulações tridimensionais (3-D) para esclarecer a origem da discrepância observada.

    Transporte ativo de um grânulo de vidro de 500 μm facilitado por uma estrutura giratória, conforme obtido em experimentos. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz8535

    Desta maneira, Koohe Han e colegas relataram os resultados das propriedades estruturais e de transporte de um novo material ativo composto de automontados, spinners sincronizados. Eles suspenderam micropartículas ferromagnéticas em uma interface ar-água para automontagem dinâmica em vários spinners alimentados por um campo magnético rotativo aplicado na interface. A atividade do sistema originada devido ao movimento rotacional dos spinners, ao contrário dos sistemas ativos convencionais compostos de unidades autopropulsoras. As interações coletivas entre os spinners permitiram a formação de novas fases dinâmicas, incluindo os líquidos do spinner e as redes auto-organizadas que suportavam a difusão ativa por meio de fluxos hidrodinâmicos autogerados, ao lado do comportamento de autocura. A equipe mostrou a possibilidade de transportar partículas de carga inertes dentro de redes giratórias ativas auto-organizadas com controle remoto e manipulação. Essas aplicações de enxames giratórios sincronizados fornecerão novas oportunidades para projetar estruturas automontadas e transporte ajustável em materiais ativos em microescala.

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