Os surfistas Marangoni são pequenas partículas que se autopropelem enquanto se estendem por uma interface fluido-fluido de uma forma semelhante àquela em que um surfista se move na superfície de uma onda. Nos últimos anos, partículas autopropelidas se tornaram o foco de numerosos estudos de física, pois podem servir de modelo para estudar o movimento de objetos brownianos ativos com uma ampla gama de velocidades e interações.

Pesquisadores da ETH Zürich, A Heinrich-Heine University em Düsseldorf e a University College London (UCL) realizaram recentemente surfistas Marangoni micrométricos ativos aplicando luz laser aos colóides Janus absorvidos nas interfaces água-óleo. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , baseia-se em vários estudos anteriores que exploram o uso da luz para controlar o movimento de micro-nadadores.

"Este trabalho surgiu através de um esforço contínuo para criar micro-nadadores que sejam mais eficientes e que possam ser facilmente controlados, “Lucio Isa e Nick Jaensson, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse a Phys.org. "Nossos resultados são baseados em um corpo de trabalho existente que trata do controle do movimento de micro-nadadores usando luz e com as propriedades dos micro-nadadores confinados em interfaces de fluidos, que inclui alguns de nossos trabalhos anteriores. "

Em um de seus estudos anteriores, Isa e seus colegas descobriram que confinar as partículas de Janus nas interfaces óleo-água permitiu que essas partículas se autopropulsassem por meio de gradientes químicos autogerados que desencadearam reações catalíticas. Este efeito se assemelha muito ao que costuma ser observado em partículas no interior de suspensões em massa.

Além disso, os pesquisadores observaram que essas partículas poderiam interagir fortemente umas com as outras devido às forças eletrostáticas repulsivas que caracterizam os objetos presos nas interfaces. Embora essa observação tenha aberto novas possibilidades para o estudo de partículas ativas de forte interação, nadadores catalíticos são conhecidos por serem particularmente difíceis de controlar usando fatores externos. Isso ocorre porque sua propulsão depende da concentração de combustível químico, que é difícil de regular dinamicamente.

"A solução para este problema veio acoplando a geração de gradientes de temperatura assimétricos por partículas de Janus que absorvem luz e a conhecida ideia de que em interfaces de fluidos, aqueles geram gradientes de tensão superficial e, correspondentemente, Fluxos de Marangoni que poderiam ser aproveitados para impulsionar as partículas por meio de iluminação controlada espacial e temporalmente, "Isa e Jaensson disseram.

Os surfistas Marangoni são partículas autopropulsoras, o que significa que eles podem converter fontes externas de energia (por exemplo, luz) em movimento direcionado, criando e sustentando uma assimetria nas propriedades de seu ambiente circundante (por exemplo, perfis de temperatura), por sua vez, gerando perfis de tensão superficial. O nome Marangoni está associado à origem desta qualidade autopropulsora, que é mediado por gradientes de tensão superficial e seus fluxos de fluido correspondentes. A manifestação desses fluxos de fluidos, que pode ser observado em vários fenômenos físicos (por exemplo, lágrimas de vinho e propulsão de barcos de cânfora), é conhecido como efeito Marangoni.

"Os surfistas de Marangoni são importantes na física porque constituem um novo sistema de modelo para estudar o movimento ativo de objetos em microescala autopropulsores com uma grande faixa dinâmica de velocidades (até 10, 000 comprimentos de corpo por segundo) e interações ajustáveis, "Isa e Jaensson disseram." Os últimos são mediados pela interface do fluido, que também os confina em um plano bidimensional sem a presença de limites sólidos. O estudo experimental do movimento coletivo de partículas ativas na ausência de agregação tem sido um desafio para a comunidade e abrirá o caminho para o estudo de materiais bidimensionais, como cristais e vidros feitos exclusivamente de componentes ativos. "

Para perceber surfistas Marangoni em microescala, É um, Jaensson e seus colegas usaram um método simples que envolve o revestimento de uma monocamada de partículas (ou seja, camada de partículas compactadas) usando um filme de ouro por meio de uma técnica conhecida como revestimento por pulverização catódica. Subseqüentemente, eles confinaram as partículas em uma interface óleo-água depositando uma gota de uma suspensão aquosa usando uma micro seringa.

Finalmente, os pesquisadores iluminaram as partículas usando um laser verde. A luz deste laser foi absorvida pelas tampas de ouro da partícula, gerar um perfil de temperatura assimétrico.

“O perfil assimétrico de temperatura gerado pela adsorção da tampa de ouro gera um gradiente de tensão superficial que impulsiona as partículas via fluxos de Marangoni, "Isa e Jaensson disseram." Na presença de espécies de superfície ativa, ou seja, surfactantes, o movimento da partícula também é acoplado a um gradiente de concentração, que gera um segundo perfil de tensão superficial. O equilíbrio entre os dois regula a propulsão. "

É um, Jaensson e seus colegas estão entre os primeiros pesquisadores a demonstrar partículas ativas com uma gama extremamente ampla de velocidades de propulsão possíveis, aproveitando os fluxos de Marangoni em microescala. Além disso, as velocidades de propulsão das partículas que eles criaram podem ser facilmente reguladas simplesmente controlando a concentração e iluminação do surfactante.

"As partículas que demonstramos constituem um novo sistema modelo que pode ser usado para investigar as propriedades de uma nova classe de materiais ativos, "Isa e Jaensson disseram." Agora planejamos estender nossos estudos, onde nos concentramos essencialmente na caracterização do comportamento de propulsão de uma única partícula e na elucidação de suas origens microscópicas, ao caso do controle simultâneo de montagens de surfistas Marangoni para a realização de materiais ativos bidimensionais. "

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