Une frontière difficile en science et en ingénierie consiste à contrôler la matière en dehors de l'équilibre thermodynamique pour construire des systèmes matériels avec des capacités qui rivalisent avec celles des organismes vivants. La recherche sur les colloïdes actifs vise à créer des « particules » à l'échelle micro et nanométrique qui nagent à travers des fluides visqueux comme des micro-organismes primitifs. Lorsque ces particules automotrices se rassemblent, ils peuvent s'organiser et se déplacer comme des bancs de poissons pour exécuter des fonctions robotiques, comme la navigation dans des environnements complexes et la livraison de « cargaison » à des emplacements ciblés.

Une équipe d'ingénierie de Columbia dirigée par Kyle Bishop, professeur de génie chimique, est à la pointe de l'étude et de la conception de la dynamique des colloïdes actifs alimentés par des réactions chimiques ou par des aimants externes, électrique, ou des champs acoustiques. Le groupe développe des robots colloïdaux, dans lequel les composants actifs interagissent et s'assemblent pour exécuter des fonctions dynamiques inspirées des cellules vivantes.

Dans une nouvelle étude publiée aujourd'hui par Lettres d'examen physique , groupe de l'évêque, travailler avec des collaborateurs du Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) de la Northwestern University, rapportent qu'ils ont démontré l'utilisation de champs électriques à courant continu pour entraîner la rotation de va-et-vient de microparticules dans les couches limites électriques. Ces oscillateurs de particules pourraient être utiles comme horloges qui coordonnent l'organisation de la matière active et même, peut-être, orchestrer les fonctions de robots à l'échelle du micron.

"De minuscules oscillateurs à particules pourraient permettre de nouveaux types de matière active qui combinent les comportements d'essaimage des colloïdes automoteurs et les comportements de synchronisation des oscillateurs couplés, " dit Bishop. "Nous nous attendons à ce que les interactions entre les particules dépendent de leurs positions et phases respectives, permettant ainsi des comportements collectifs plus riches, des comportements qui peuvent être conçus et exploités pour des applications en robotique en essaim. »

Faire une horloge fiable à l'échelle du micron n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Comme on peut l'imaginer, les horloges à pendule ne fonctionnent pas bien lorsqu'elles sont immergées dans du miel. Leur mouvement périodique, comme celui de tous les oscillateurs inertiels, s'arrête sous une résistance suffisante du frottement. Sans l'aide de l'inertie, il est tout aussi difficile de piloter le mouvement oscillatoire de particules à l'échelle du micron dans des fluides visqueux.

"Notre récente observation de sphères colloïdales oscillant dans un champ électrique continu présentait un peu de mystère, celui que nous voulions résoudre, " observe l'auteur principal de l'article, Zhengyan Zhang, un doctorat étudiant dans le laboratoire de Bishop qui a découvert cet effet. « En faisant varier la taille des particules, intensité du champ, et la conductivité des fluides, nous avons identifié les conditions expérimentales nécessaires aux oscillations et découvert le mécanisme sous-jacent à la dynamique rythmique des particules."

Des travaux antérieurs ont démontré comment des particules similaires peuvent tourner régulièrement par un processus connu sous le nom de rotation de Quincke. Comme une roue à eau remplie d'en haut, l'instabilité de Quincke est due à l'accumulation de charge électrique à la surface des particules et à sa rotation mécanique dans le champ électrique. Cependant, les modèles existants de rotation de Quincke - et de roues hydrauliques suramorties - ne prédisent pas la dynamique oscillatoire.

Cette nouvelle étude caractérise et explique les oscillations "mystérieuses" par référence à une couche limite dans l'électrolyte non polaire. Au sein de cette couche, souvent ignoré par les chercheurs, des porteurs de charge sont générés puis migrent sous l'influence du champ électrique. Ces processus introduisent des asymétries spatiales dans les taux d'accumulation de charges à la surface des particules. Comme une roue à eau dont les seaux fuient plus vite en haut qu'en bas, la charge asymétrique peut entraîner une rotation en va-et-vient à des intensités de champ élevées.

"Le taux de génération limité de charges dans ces électrolytes faibles crée une couche limite comparable à la taille des particules sous un fort champ électrique, comme trouvé numériquement par mon doctorat. étudiant Hang Yuan, un co-auteur de l'ouvrage. Par conséquent, la "conductivité" des ions autour des particules qui se trouvent dans la grande couche limite n'est pas constante, conduisant aux oscillations observées à de forts champs électriques, " dit Monica Olvera de la Cruz, Avocat Taylor Professeur de science et d'ingénierie des matériaux, Chimie et (par courtoisie) Génie chimique et biologique, Physique et astronomie à Northwestern Engineering.

"Ce travail montre un moyen de générer des oscillateurs, ce qui pourrait conduire à l'émergence de phénomènes coopératifs dans les fluides, " Elle ajoute.

L'équipe a expérimenté différentes formes de particules et a découvert qu'elles pouvaient générer des oscillations avec n'importe quelle particule, à condition que leur taille soit comparable à celle de la couche limite.

"En réglant l'intensité du champ et/ou l'électrolyte, nous pouvons contrôler de manière prévisible la fréquence de ces `horloges de Quincke, "" ajoute Bishop. "Notre article permet la conception de nouvelles formes de matière active basées sur des collections d'oscillateurs mobiles."

L'équipe étudie actuellement les comportements collectifs qui émergent lorsque de nombreux oscillateurs Quincke se déplacent et interagissent les uns avec les autres.