Simulation de vitesse, rationalise, et les champs d'écoulement de tourbillon induits par des filateurs synchrones à une surface d'eau, comme obtenu dans les expériences. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
Les colloïdes actionnés sont d'excellents systèmes modèles pour étudier les structures émergentes hors d'équilibre, dynamiques collectives complexes et règles de conception pour les matériaux de nouvelle génération. Dans un nouveau rapport, Koohe Han et une équipe de recherche ont suspendu des microparticules ferromagnétiques à une interface air-eau et les ont alimentées avec un champ magnétique rotatif externe pour former des ensembles dynamiques de filateurs synchronisés. Chaque filière a généré de forts flux hydrodynamiques avec des interactions collectives entre plusieurs filières pour favoriser la formation dynamique de réseau. À l'aide d'expériences et de simulations, ils ont révélé des transitions structurelles d'états liquides à des états quasi cristallins, démontrant la nature reconfigurable des réseaux de spinner dynamiques. Les matériaux ont montré un comportement d'auto-guérison et ont transporté des particules de cargaison inertes intégrées, réglé par les paramètres d'excitation externe. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques , et fournir un aperçu du comportement des matériaux de filature actifs avec un ordre structurel reconfigurable et des fonctionnalités réglables.
Les particules hors équilibre peuvent attribuer des règles de conception aux matériaux reconfigurables de nouvelle génération en raison de leur potentiel d'auto-organisation. Les scientifiques peuvent contrôler les paramètres du champ d'excitation qui sont basés sur un influx d'énergie externe provenant d'un champ électrique ou magnétique pour modifier la réponse dynamique et collective des particules actionnées dans un processus régulé. Ces systèmes actifs pilotés par le terrain sont des candidats prometteurs pour des applications dans la purification de l'eau et l'administration ciblée de médicaments en ajustant leurs propriétés de transport à la demande. Des recherches récentes se sont concentrées sur les particules autopropulsées allant du chaînage et du regroupement dynamiques au flocage et à la turbulence active. L'exploration de l'auto-assemblage dynamique de particules colloïdales peut fournir une technique robuste pour générer de grands ensembles de filateurs microscopiques. Ces spinners ne sont pas des blocs de construction faciles pour un assemblage dynamique car ils tournent dans des directions aléatoires et se désintègrent.
Pour obtenir un meilleur contrôle et une plus grande adaptabilité du matériau du cône actif, l'équipe a développé un système de filateurs auto-assemblés à co-rotation synchrone qui sont stables et efficacement couplés par des écoulements hydrodynamiques auto-induits. Dans ce travail, Han et al. ont rapporté la formation dynamique d'essaims de filateurs synchronisés et auto-assemblés à partir de particules de nickel ferromagnétique (Ni) suspendues à une interface air-eau et alimentées par un champ magnétique tournant dans le plan. Les filières auto-assemblées ont généré de forts écoulements hydrodynamiques pour provoquer un ensemble de phases dynamiques collectives. Han et al. des expériences et des simulations combinées pour étudier les propriétés structurelles et de transport de ces matériaux de filature actifs, les résultats donneront un aperçu des propriétés des matériaux synthétiques actifs de filature pour le transport et la manipulation des particules à l'échelle microscopique.
Assemblage de spinners multiparticulaires piloté par champ magnétique. (A) Schémas d'un état dispersé de particules de Ni sous un champ magnétique statique le long de la direction z. (B) Assemblage de filateurs sous l'influence d'un champ magnétique tournant appliqué dans le plan xy (l'instantané du bas est une image expérimentale représentative). (C) Taille du spinner en fonction de la fréquence de champ fH à =0,006 σ−2. La longueur de la chaîne, LS, est normalisé par le diamètre des particules, (90 m). La ligne continue est une courbe théorique calculée. Encart :nombre de Reynolds, Ré, des filateurs en fonction de fH. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
L'équipe a appliqué un champ magnétique statique perpendiculaire à l'interface air-eau pour permettre l'auto-assemblage dynamique des hélices à partir de particules de nickel ferromagnétique en suspension. Ils ont alimenté le système à l'aide d'un champ magnétique rotatif externe appliqué dans le plan avec l'interface. L'auto-assemblage des filateurs était entièrement réversible et contrôlé via les paramètres du champ extérieur, pour assembler des filateurs multiparticulaires entraînés par champ magnétique dans des structures presque en réseau. Les disques magnétiques décrits dans les expériences et les simulations différaient sur deux aspects importants des disques rotatifs précédemment conçus. Spécifiquement, (1) l'attraction magnétique entre les particules était suffisamment forte pour surmonter la répulsion et former des chaînes, et (2) la forte anisotropie des filateurs a permis au champ d'écoulement de varier périodiquement dans le temps.
Han et al. ont noté de grands ensembles de filateurs auto-assemblés synchronisés pour présenter une auto-organisation dynamique et ont calculé l'ordre orienté liaison hexagonale pour quantifier l'ordre local des filateurs. Les changements dans la valeur moyenne des paramètres d'ordre de liaison hexagonale des réseaux de spinner ont révélé une transition claire de la phase liquide aux phases cristallines avec une densité de spinner croissante. A faible densité, les filateurs ont conservé un comportement semblable à celui d'un liquide - à mesure que la densité augmentait, ils sont devenus plus restreints dans leur mouvement pour former des réseaux de spinner auto-organisés.
L'ordre local des réseaux de spinner obtenus expérimentalement. (A) Un réseau dynamique formé de filateurs à fH =45 Hz et =0,0164 σ−2. Le diagramme de Voronoï est superposé au réseau observé. Les filateurs sont flous en raison du long temps d'exposition qui a permis une identification précise des axes de rotation pour tous les filateurs. Barre d'échelle, 1 millimètre. (B) La distribution de probabilité du paramètre d'ordre d'orientation de la liaison hexagonale ∣ψ6∣ dans les réseaux de spinner à fH =45 Hz en fonction de ρ. (C) La valeur moyenne ψ6 des réseaux de spinner illustre la transition de phase dynamique liquide-cristallin avec la densité de spinner ρ. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
Les simulations ont capturé de la même manière l'ordre de type liquide des filateurs à faible densité, bien que leur transition vers les solides n'ait pas été aussi prononcée par rapport aux expériences. Pour approfondir et caractériser l'ordre structurel des réseaux de spinner dynamiques en détail, l'équipe a analysé les positions relatives des filateurs au sein de l'ensemble et a observé que les filateurs s'auto-organisent en réseaux avec un espacement inter-fils bien défini dépendant de la fréquence à des densités élevées. Les réseaux de filateurs synchronisés ont formé une nouvelle classe de cristaux actifs accompagnés d'un champ d'écoulement tourbillonnaire vigoureux. Les réseaux de spin auto-organisés ont conservé leur capacité d'auto-guérison, que Han et al. montré en détruisant intentionnellement le réseau de filature avec une grosse perle de verre passant à travers son interface - une fois que la perle avait traversé l'interface, l'endroit affecté s'est auto-réparé en quelques secondes.
Comportement d'auto-guérison dans les réseaux de spinner actifs. (A à D) Instantanés d'un réseau de spinner démontrant le processus d'auto-guérison:(A) Un réseau de spinner à fH =90 Hz, =0,0112 −2, (B) le moment de l'arrachement du treillis par un bourrelet de 3 mm, (C) le treillis est fracturé localement par le bourrelet, et (D) un réseau auto-réparé spontanément. Barre d'échelle, 5 millimètres. (E) L'évolution temporelle du paramètre d'ordre d'orientation de liaison moyen ψ6 dans la région fracturée du réseau de spinner. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
Les forts écoulements hydrodynamiques sous-jacents auto-induits ont indiqué la possibilité pour un réseau de spinners synchronisés de transporter efficacement les particules de cargaison passives. Pour caractériser cela, les scientifiques ont déterminé le coefficient de diffusion d'une particule non magnétique passive placée à l'intérieur d'un réseau de spinner dynamique en suivant son déplacement quadratique moyen (MSD). Ils ont qualifié le transport de particules de diffusion active, car les résultats étaient des ordres de grandeur supérieurs à ceux correspondant au mouvement brownien thermique passif. Ils ont réglé efficacement le coefficient de diffusion actif en fonction de la fréquence du champ externe. Le comportement du système a contribué à des changements dans les distances de filature à filature dans le réseau pour former un effet de mise en cage sur un bourrelet de cargaison passif et empêcher sa sortie de la cellule. Tout comme pour les expériences, les simulations ont montré un mouvement et une diffusion améliorés pour les petites et grandes particules de traceur, cependant, Han et al. n'a pas observé de dépendance fréquentielle pour le coefficient de diffusion au cours de la simulation par rapport aux expériences. Les scientifiques suggèrent donc d'utiliser des simulations tridimensionnelles (3D) pour clarifier l'origine de l'écart observé.
Transport actif d'une bille de verre de 500 µm facilité par un réseau de vrilles, comme obtenu dans les expériences. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaz8535
De cette façon, Koohe Han et ses collègues ont rapporté les résultats des propriétés structurelles et de transport d'un nouveau matériau actif composé d'auto-assemblés, filateurs synchronisés. Ils ont suspendu des microparticules ferromagnétiques à une interface air-eau pour un auto-assemblage dynamique en plusieurs filières alimentées par un champ magnétique rotatif appliqué à l'interface. L'activité du système est due au mouvement de rotation des filateurs, contrairement aux systèmes actifs conventionnels composés d'unités automotrices. Les interactions collectives entre les filateurs ont permis la formation de nouvelles phases dynamiques comprenant des liquides de filage et des réseaux auto-organisés qui ont soutenu la diffusion active grâce à des écoulements hydrodynamiques auto-générés, à côté d'un comportement d'auto-guérison. L'équipe a montré la possibilité de transporter des particules de cargaison inertes dans des réseaux de spinner actifs auto-organisés avec télécommande et manipulation. Ces applications d'essaims de spinner synchronisés offriront de nouvelles opportunités pour concevoir des structures auto-assemblées et un transport accordable dans des matériaux actifs à l'échelle microscopique.
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