Físicos da Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg e Heinrich-Heine Universität Düsseldorf demonstraram que a desmistura ocorre em sistemas compostos de partículas macroscópicas girando em direções opostas e que as partículas girando no sentido horário ou anti-horário formam grupos homogêneos. Os pesquisadores usaram robôs em miniatura fabricados com métodos de impressão 3-D para seus experimentos. Os resultados já foram publicados na renomada revista. Nature Communications .

O fenômeno em si é bem conhecido. Organismos biológicos, como bactérias e partículas ativas artificiais, tendem a se organizar em enxames e padrões. Contudo, como essa auto-organização funciona e quais forças estão envolvidas ainda não foi estudado em grande extensão. Os experimentos na dinâmica de partículas microscópicas são difíceis de conduzir e o escopo das simulações é limitado porque os mecanismos de interação fundamentais ainda não são compreendidos.

A vibração faz com que os mini-robôs girem

Físicos da FAU e da Universidade de Düsseldorf agora observaram como as partículas rotativas se auto-organizam durante os experimentos. Para fazer isso, eles colocaram pequenos robôs em uma placa de base vibratória. Eles mediam cerca de 1,5 centímetros de tamanho e eram equipados com sete pernas inclinadas que atuam como molas elásticas e convertem o impulso vibratório em movimento giratório. Para melhorar as interações, os robôs, fabricado com impressoras 3-D, foram equipados com quatro ranhuras, fazendo com que se comportassem como engrenagens que se engrenam. "Nossa configuração é bastante simples, "explica o Prof. Thorsten Pöschel do Institute of Multiscale Simulation da FAU." Colocamos 210 rotores girando no sentido horário e 210 rotores girando no sentido anti-horário em um anel em uma configuração de tabuleiro de xadrez totalmente misturado. Ligamos a mesa vibratória e observamos o que aconteceu. "

Partículas de malha aderem umas às outras

Os pesquisadores ficaram surpresos com os resultados:domínios únicos eram claramente visíveis após apenas um minuto, e depois de 15 minutos, os robôs foram quase totalmente desmisturados. "Esta segmentação não é intuitiva, "diz o Dr. Christian Scholz, do Instituto de Física Teórica II da Heinrich-Heine Universität Düsseldorf." Poderíamos esperar que as partículas girando em direções opostas ficassem juntas porque suas estrias não se encaixam - semelhante a uma cadeia de engrenagens giratórias que gire alternadamente para a direita ou para a esquerda. "O oposto é verdadeiro, Contudo. Os rotores que giram na mesma direção se interligam e formam grupos. Ao rastrear os robôs individuais, os pesquisadores observaram correntes de borda superdifusivas - partículas próximas às interfaces são mais móveis do que aquelas no centro dos Domínios.

Simulações confirmam os resultados do experimento

Numerosas repetições mostram que os resultados do experimento são muito robustos - os rotores formaram principalmente três ou quatro domínios separados após 1000 segundos de vibração. Simulações com base nas equações de Langevin sempre mostram uma desmistura completa em dois grupos. "O fato de as variações durante os testes terem sido maiores do que as da simulação pode ter sido causado por imperfeições no formato de nossos rotores impressos em impressoras 3-D e pela influência da gravidade, já que não conseguimos alinhar o vibrador mesa em uma posição totalmente horizontal, "explica o Prof. Dr. Michael Engel do Institute of Multiscale Simulation da FAU.

Tanto a abordagem experimental usando rotores físicos quanto as simulações de Langevin são adequadas para descrever a dinâmica coletiva e a separação de fases de partículas em rotação. Os pesquisadores esperam dar uma contribuição para novas pesquisas em matéria mole ativa e partículas microscópicas ou mesmo moleculares. Os resultados do projeto foram publicados sob o título "Robôs rotativos movem-se coletivamente e se auto-organizam" na renomada revista. Nature Communications .