Uma fronteira desafiadora na ciência e na engenharia é controlar a matéria fora do equilíbrio termodinâmico para construir sistemas materiais com capacidades que rivalizam com as dos organismos vivos. A pesquisa sobre coloides ativos visa criar "partículas" em micro e nanoescala que nadam através de fluidos viscosos como microorganismos primitivos. Quando essas partículas autopropelidas se juntam, eles podem se organizar e se mover como cardumes de peixes para realizar funções robóticas, como navegar em ambientes complexos e entregar "carga" para locais selecionados.

Uma equipe de engenharia da Columbia liderada por Kyle Bishop, professor de engenharia química, está na vanguarda do estudo e projeto da dinâmica de coloides ativos alimentados por reações químicas ou por magnetismo externo, elétrico, ou campos acústicos. O grupo está desenvolvendo robôs coloidais, em que os componentes ativos interagem e se reúnem para realizar funções dinâmicas inspiradas por células vivas.

Em um novo estudo publicado hoje por Cartas de revisão física , Grupo do Bispo, trabalhando com colaboradores do Centro de Ciência da Energia Bioinspirada (CBES) da Northwestern University, relatam que eles demonstraram o uso de campos elétricos DC para impulsionar a rotação para frente e para trás de micropartículas em camadas de limite elétricas. Esses osciladores de partículas podem ser úteis como relógios que coordenam a organização da matéria ativa e até mesmo, possivelmente, orquestrar as funções dos robôs em escala mícron.

"Os osciladores de partículas minúsculas podem permitir novos tipos de matéria ativa que combinam os comportamentos de enxame de coloides autopropelidos e os comportamentos de sincronização de osciladores acoplados, "diz o Bispo." Esperamos que as interações entre as partículas dependam de suas respectivas posições e fases, permitindo assim comportamentos coletivos mais ricos - comportamentos que podem ser projetados e explorados para aplicações em robótica de enxame. "

Fazer um relógio confiável na escala de mícron não é tão simples quanto pode parecer. Como se pode imaginar, relógios de pêndulo não funcionam bem quando imersos em mel. Seu movimento periódico - como o de todos os osciladores inerciais - é interrompido sob resistência suficiente do atrito. Sem a ajuda da inércia, é igualmente desafiador conduzir o movimento oscilatório de partículas em escala mícron em fluidos viscosos.

"Nossa observação recente de esferas coloidais oscilando para frente e para trás em um campo elétrico DC apresentou um pouco de mistério, um que queríamos resolver, "observa o autor principal do artigo, Zhengyan Zhang, um Ph.D. aluno do laboratório de Bishop que descobriu este efeito. "Variando o tamanho das partículas, força de campo, e a condutividade do fluido, identificamos as condições experimentais necessárias para as oscilações e descobrimos o mecanismo subjacente à dinâmica rítmica das partículas. "

Trabalhos anteriores demonstraram como partículas semelhantes podem girar de forma constante por um processo conhecido como rotação de Quincke. Como uma roda d'água cheia de cima, a instabilidade de Quincke é impulsionada pelo acúmulo de carga elétrica na superfície da partícula e sua rotação mecânica no campo elétrico. Contudo, os modelos existentes de rotação de Quincke - e de rodas d'água superamortecidas - não prevêem a dinâmica oscilatória.

Este novo estudo caracteriza e explica as oscilações "misteriosas" por referência a uma camada limite no eletrólito apolar. Dentro desta camada, frequentemente ignorado pelos pesquisadores, portadores de carga são gerados e então migram sob a influência do campo elétrico. Esses processos introduzem assimetrias espaciais nas taxas de acumulação de carga na superfície da partícula. Como uma roda d'água cujos baldes vazam mais rápido na parte superior do que na parte inferior, o carregamento assimétrico pode levar à rotação para frente e para trás em altas intensidades de campo.

"A taxa de geração limitada de cargas nesses eletrólitos fracos cria uma camada limite comparável ao tamanho da partícula sob um forte campo elétrico, conforme encontrado numericamente pelo meu Ph.D. estudante Hang Yuan, um co-autor do trabalho. Como resultado, a 'condutividade' dos íons em torno das partículas que estão dentro da grande camada limite não é constante, levando às oscilações observadas em campos elétricos fortes, "diz Monica Olvera de la Cruz, Advogado Taylor, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, Química e (por cortesia) Engenharia Química e Biológica, Física e Astronomia na Northwestern Engineering.

“Este trabalho mostra uma forma de gerar osciladores, o que poderia levar ao surgimento de fenômenos cooperativos em fluidos, " Ela adiciona.

A equipe experimentou diferentes formas de partículas e descobriu que elas poderiam gerar oscilações com qualquer partícula, desde que seu tamanho fosse comparável ao da camada limite.

"Ao ajustar a intensidade do campo e / ou o eletrólito, podemos controlar previsivelmente a frequência desses relógios `Quincke, '"Bishop acrescenta." Nosso trabalho permite o projeto de novas formas de matéria ativa com base em coleções de osciladores móveis. "

A equipe está atualmente estudando os comportamentos coletivos que surgem quando muitos osciladores Quincke se movem e interagem uns com os outros.