|
Биоинспирированные коллективы активной материи
|
|
|
|
Системы активной материи обладают уникальным поведением, которое включает в себя структуры коллективной самосборки и коллективную миграцию. Однако попытки реализовать коллективные сущности в пространствах без опоры на стены, чтобы осуществлять трехмерное передвижение без дисперсии, являются сложными. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, Мэнмэн Сунь и исследовательская группа в области машиностроения и физического интеллекта в Китае и Германии были биовдохновлены механизмами миграции планктона и предложили бимодальную стратегию срабатывания путем объединения магнитных и оптических полей. В то время как магнитное поле запускало самосборку магнитных коллоидных частиц для поддержания многочисленных коллоидов как динамически стабильного объекта, оптические поля позволяли коллоидным коллективам генерировать конвективный поток посредством фототермических эффектов для трехмерного дрейфа. Коллективы выполнили 3D-передвижение под водой, чтобы получить представление о конструкции интеллектуальных устройств и интеллектуальных материалов для синтетической активной материи, которая может регулировать коллективное движение в 3D-пространстве.
|
|
|
|
Активная живая материя повсеместно распространена в природе, предлагая самособирающиеся коллективы, которые могут выполнять сложные задачи, превосходящие индивидуальные возможности, включая птичьи стаи и колонии бактерий. Вдохновленные природными коллективами, можно рассматривать коллоиды как строительные блоки для материалов, подобно атомам, образующим строительные блоки молекул и кристаллов. Коллоидную самосборку можно изучать как метод изготовления наноструктур с техническими последствиями для создания наноразмерной электроники, преобразования или хранения энергии, доставки лекарств и катализаторов. Процессом коллоидной сборки можно управлять на структурированной подложке или посредством сборки Ленгмюра-Блоджетт для сборки в волокнах и клетках, а также в виде химических сигналов. В этой работе Мэнмэн Сунь и группа ученых представили новый подход к достижению трехмерной подвижности коллоидных коллективов без дисперсии. Коллоидный коллектив состоял из коллоидных частиц феррожидкостного железа диаметром менее 1 мкм, которые приводились в движение специально подобранным вращающимся магнитным полем для самосборки в динамически стабильный коллектив.
|
|
|
Команда сосредоточилась на оптическом конвективном потоке с использованием потоков жидкости для трехмерного дрейфа, вдохновленном планктоном. Сан и его команда обсудили методы перехода коллоидных коллективов, чтобы изучить их возможности передвижения по водной поверхности. Кульминацией результатов стали коллоидные коллективы с трехмерной мобильностью, способные адаптироваться к сложной среде, обладающие физическим интеллектом для передвижения, самосборки и регуляции. Сан и исследовательская группа приняли бимодальную стратегию активации магнитных и оптических полей для реализации трехмерного передвижения коллоидных коллективов. На первом этапе они вызвали образование коллоидных коллективов, включив магнитное поле, содержащее три регулируемых параметра, включая угол наклона, частоту и силу. Сначала, в отсутствие магнитного поля, феррожидкостные коллоиды после осаждения проявляли броуновское движение. Получив энергию от специально подобранного вращающегося магнитного поля, они самособирались, образуя небольшие примитивные коллективы, известные как неравновесные коллоидные коллективы, которые продолжали увеличиваться в размерах и сливаться с соседними частицами, способствуя их росту; ученые подтвердили это с помощью моделирования.
|
|
|
|
Морфология коллоидного коллектива зависела от силы и частоты приложенного магнитного поля, что позволяло коллективу сохранять целостность, вызывая формирование и поддержание его динамической устойчивости. Дисперсные коллоидные частицы феррожидкости поглощают ближний инфракрасный свет, преобразуя его в тепловую энергию, вызывая локальный температурный градиент. Градиент температуры вызвал конвективный поток, который уносил частицы вверх и собирался в коллектив с усиленным фототермическим эффектом. Это привело к поддержанию динамически стабильного объекта без распада. В отсутствие ближнего инфракрасного оптического поля коллоидный коллектив охлаждался под действием ослабленной гидродинамической силы и постепенно погружался под действием силы тяжести. Таким образом, эти образцы скорректировали оптическое поле для конвекции и достигли вертикального движения вверх, зависания и направленного горизонтального движения. Поскольку гидродинамическая сила была больше силы тяжести, конвекция подтолкнула коллектив вверх вертикально, позволяя коллоидному коллективу зависать под водой. Регулируя оптическое поле, Сан и его команда направляли движение коллоидного коллектива и корректировали их положение под водой.
|
|
|
|
Ученые исследовали способность коллоидного коллектива прорываться через поверхность воды с помощью вынужденного конвекционного потока; чтобы указать, как образцы успешно вышли из воды, преодолев поверхностное натяжение воды. Коллоидные коллективы преодолевали поверхностное натяжение и гравитацию для хорошо регулируемых переходов через водную поверхность и погружения в воду в нужном месте и в нужное время. Исследователи проанализировали конструкции, используя плавучесть, гидродинамическую силу конвекции, поверхностное натяжение и гравитацию. Сан и его команда исследовали эти эффекты на обычных группах микророботов, чтобы ввести пространственно-симметричные взаимодействия для передвижения под водой и на поверхности воды. Команда использовала магнитные и оптические поля, чтобы управлять движением таких коллективов микророботов по поверхности воды, где они поднимались по водному мениску для транспортировки, управляемой оптическим полем. Такие инструменты, известные как «ходоходы по поверхности», могут преодолевать препятствия, превышающие их собственный размер, и обходить высокие барьеры для применения в науке об окружающей среде, медицине и технике.
|
|
|
|
Таким образом, Мэнмэн Сан и его коллеги были вдохновлены механизмами миграции планктона, побуждающими коллоидные коллективы перемещаться в трехмерном пространстве без границ. Команда объединила магнитные и оптические поля для хорошо сформированного и регулируемого трехмерного передвижения активных коллоидных коллективов в водной среде, а также комбинированные оптические и магнитные поля для облегчения трехмерного передвижения. Эти отложения и коллоидные системы обеспечивают мощный процесс для изучения физики самосборки и разработки практического метода синтеза функциональных материалов. Живые системы могут образовывать самособирающиеся коллоидные коллективы под воздействием внешних магнитных полей, создавать структуры, которые можно направлять через пространства и интерфейсы, достигать необычной геометрии и узоров. Сан и его команда намерены изучить эти коллективы и их сложность для синтеза и проектирования материалов. Эти конструкции с двойной реакцией могут функционировать как коллективы микророботов для адаптации к окружающей среде с практическим применением в биожидкостях с высокой вязкостью и высокими концентрациями ионов с широким применением в биомедицинской инженерии.
|
|
|
|
Источник
|
