Magnetische Quincke-Rollen: Kräfte und Drehmomente des Magnetismus, die die komplexe Dynamik aktiver Teilchen steuern

Jun 15, 2023

Feature vom 24. Juli 2023

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von Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Unter Quincke-Rotation versteht man die spontane, stetige Rotation eines dielektrischen Teilchens, das in einem dielektrischen Lösungsmittel unter einem stetigen und gleichmäßigen elektrischen Feld eingetaucht ist. Elektrohydrodynamisch angetriebene aktive Partikel basierend auf der Quincke-Rotation sind ein wichtiges Modellsystem für das entstehende kollektive Verhalten in kolloidalen Nichtgleichgewichtssystemen. Quincke-Rollen sind an sich nicht magnetisch und daher können Magnetfelder nicht zur Regulierung ihrer komplexen Dynamik verwendet werden.

In einem neuen Bericht, der in Science Advances veröffentlicht wurde, entwickelten Ricardo Reyes Garza und ein Forschungsteam für angewandte Physik an der Aalto University School of Science in Finnland magnetische Quincke-Rollen mithilfe von Silica-Partikeln, die mit superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln dotiert waren. Diese magnetische Natur ermöglichte die Anwendung äußerer Kräfte und Drehmomente, die mit hoher Raum-Zeit-Präzision reguliert werden können. Zu den Anwendungen gehören abstimmbare interpartikuläre Interaktionen mit potenziellen Landschaften sowie fortschrittliche programmierbare und ferngesteuerte Verhaltensweisen.

Aktive Materiesysteme basieren auf vielen einzelnen Wirkstoffen, die Energie aus ihrer Umgebung absorbieren, um sie in mechanische Kräfte und Bewegung umzuwandeln. In jüngster Zeit haben Forscher künstlichen aktiven Systemen wie Janusteilchen, vibrierenden Polscheiben und Quincke-Rollen zunehmend Aufmerksamkeit geschenkt. Quincke-Rollen sind aufgrund ihrer reichhaltigen kollektiven Dynamik und einer Reihe von Entstehungszuständen, die bei festen, nicht verformbaren Quincke-Rollen und verformbaren Flüssigkeitströpfchen beobachtet werden, von Bedeutung. Zu den entstehenden Zuständen gehören polare Flüssigkeiten, Wirbel und aktive Emulsionen von Flüssigkeitswalzen.

Die Dynamik dieser Zustände ist schnell und hängt von demselben elektrischen Feld ab, das die Quincke-Rotation beeinflusst. Magnetische Kräfte und Drehmomente können angewendet werden, um die Dynamik weicher Materialien, von einzelnen Makromolekülen bis hin zu festen Partikeln und großen Flüssigkeiten, erfolgreich zu regulieren. Mit ihnen lassen sich Systeme in Form von oszillierenden Magnetfeldern mit Energie versorgen, passive Teilchen steuern oder aktivieren.

In dieser Arbeit wurde die Entwicklung breit abstimmbarer Quincke-Rollen unter Verwendung magnetischer Kräfte und Drehmomente detailliert beschrieben. Das System enthielt kugelförmige Siliziumdioxidpartikel, die mit superparamagnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln dotiert waren und in ein leicht leitfähiges flüssiges Medium eingetaucht waren, das n-Dodecan mit Natriumbis(2-ethylhexyl)sulfosuccinat enthielt.

Die Wissenschaftler inkubierten die Dispersion in einer Kammer mit niedriger Luftfeuchtigkeit, um die Partikelladung zu reduzieren, und schlossen sie mit zwei transparenten parallelen Plattenelektroden in eine quasi-zweidimensionale Geometrie ein. Die Partikel reagierten auf externe elektrische und magnetische Felder, indem sie elektrische und magnetische Dipole entwickelten. Der elektrische Dipol wurde instabil, wie man es bei normalen nichtmagnetischen Quincke-Rollen beobachten konnte, bei denen die Partikel begannen, sich zu drehen, als die angelegte elektrische Feldstärke den Schwellenwert des Feldes überschritt.

Als Garza und Kollegen die Rollen einem gleichmäßigen, in der Ebene liegenden Magnetfeld innerhalb der Hele-Shaw-Zelle aussetzten, behielten die Rollen ein magnetisches Moment bei und erfuhren ein Drehmoment, das von dipolaren Wechselwirkungen mit benachbarten Rollen und einer schwachen magnetischen Anisotropie innerhalb der Partikel selbst herrührte. Das Nettodrehmoment trieb die Teilchen dazu, ihre Achsen entlang eines externen Magnetfelds auszurichten und fixierte gleichzeitig die Achse der Quincke-Rotation.

Dieses Ergebnis ermöglichte die Ausrichtung von Rollen, die durch Magnetkräfte zu einer Kette zusammengehalten wurden. Als Garza und Kollegen das Magnetfeld entfernten, verschwanden die dipolaren Kräfte und die Kette kehrte zu einzelnen Rollen zurück; Hervorhebung der Bedeutung magnetischer Kräfte und ihrer Reversibilität. Die Wissenschaftler nutzten Hochgeschwindigkeitsbildgebung, um die Rotationsachsen der Partikel zu bestätigen.

Die Forscher beobachteten Variationen der Rotationsfrequenzen und sammelten diese Daten, indem sie die Bewegung von Unvollkommenheiten auf rotierenden Partikeln direkt verfolgten. Sie stellten fest, dass die Partikel zwischen Elektroden schwebten, um die Kette zu stabilisieren, woraufhin in seltenen Fällen anomale Dimere auftraten, was darauf hindeutet, dass sie nicht magnetisch monodispers waren und möglicherweise komplizierte Anisotropien zur Unterstützung des anomalen Dimerzustands aufweisen.

Die Wissenschaftler stimmten das Gleichgewicht zwischen magnetischen und elektrohydrodynamischen Kräften ab, um den Anteil der beteiligten Rollen an die Bildung aktiver Ketten anzupassen. Die aktiven Ketten zeigten außerdem Wechselwirkungen auf Kettenebene, bei denen Kollisionen zwischen den Ketten zu einer vollständigen Verschmelzung führten. Die Forscher haben die magnetischen Potentialenergielandschaften der Experimente umfassend abgestimmt, was zur Bildung stationärer Teilchengradienten führte.

Darüber hinaus entwickelten die Forscher mithilfe von platten- und ringförmigen Magnetfeldquellen komplexe potenzielle Energielandschaften wie einen linearen Graben oder eine kreisförmige Rennstrecke. Als das Team mithilfe eines achsensymmetrischen Magneten eine quadratische Eingrenzungslandschaft induzierte, beobachtete es eine sehr dichte Population von Rollen, die sich selbst zu einem Wirbelzustand zusammenfügten.

Die magnetische Anisotropie ermöglichte außerdem die dynamische Regulierung von Rollen, um komplexe Flugbahnen, einschließlich quadratischer Muster, zu erreichen, und unterstützte die Einbindung von Teleportation, um Flugbahnen zu erzeugen, die bestimmte Wörter wie „SCI“ bildeten, indem sie ideale externe Führung und die intrinsische Zufälligkeit des Quincke-Rollens kombinierten.

Auf diese Weise realisierten Ricardo Reyes Garza und Kollegen magnetische Quincke-Rollen mit reichhaltigem, dynamischem Verhalten, die sie mit magnetischen Drehmomenten und Kräften abstimmten, um aktive Dimer-Rollenverteilungen zu erzeugen. Die Wissenschaftler beschränkten die kollektiven Zustände auf potenzielle Energielandschaften, rollende Muster und teleoperierten sogar die Dynamik einzelner Teilchen zur Regulierung. Anstatt magnetische Kräfte und Drehmomente zum Antrieb des Systems zu nutzen, nutzten die Forscher den Aufbau, um einfach mit bereits aktiven Teilchen zu interagieren.

Infolgedessen bildeten die magnetischen Kräfte und Drehmomente einen leistungsstarken Regulierungsmechanismus, der geeignet ist, die komplexe Dynamik aktiver Systeme in verschiedenen Anwendungsbereichen abzufragen und zu regulieren, wie etwa magnetisch abstimmbare Elektrohydrodynamik, kolloidale Selbstorganisation und Mikrorobotik.

Mehr Informationen: Ricardo Reyes Garza et al., Magnetische Quincke-Rollen mit abstimmbarer Einzelteilchendynamik und kollektiven Zuständen, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh2522

Antoine Bricard et al., Entstehung makroskopischer gerichteter Bewegung in Populationen beweglicher Kolloide, Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12673

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