Rodillos magnéticos Quincke: fuerzas y pares de magnetismo que guían la dinámica compleja de partículas activas

Jun 15, 2023

Reportaje del 24 de julio de 2023

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por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La rotación de Quincke se define como la rotación estable y espontánea de una partícula dieléctrica sumergida en un disolvente dieléctrico bajo un campo eléctrico constante y uniforme. Las partículas activas impulsadas electrohidrodinámicamente basadas en la rotación de Quincke son un sistema modelo importante para el comportamiento colectivo emergente en sistemas coloidales en desequilibrio. Los rodillos Quincke son intrínsecamente no magnéticos y, por lo tanto, no se pueden utilizar campos magnéticos para regular su compleja dinámica.

En un nuevo informe publicado en Science Advances, Ricardo Reyes Garza y ​​un equipo de investigación en física aplicada de la Facultad de Ciencias de la Universidad Aalto, Finlandia, desarrollaron rodillos Quincke magnéticos mediante partículas de sílice dopadas con nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro. Esta naturaleza magnética permitió la aplicación de fuerzas y pares externos que pueden regularse con alta precisión espacio-temporal. Las aplicaciones incluyen interacciones entre partículas ajustables con paisajes potenciales y comportamientos avanzados programables y teleoperados.

Los sistemas de materia activa se basan en muchos agentes individuales que absorben energía de su entorno para convertirla en fuerzas mecánicas y movimiento. Recientemente, los investigadores han prestado una mayor atención a los sistemas activos artificiales como las partículas de Jano, los discos polares vibratorios y los rodillos de Quincke. Los rodillos Quincke son importantes debido a su rica dinámica colectiva y una variedad de estados emergentes observados con rodillos Quincke sólidos no deformables y gotas de líquido deformables. Los estados emergentes incluyen líquidos polares, vórtices y emulsiones activas de rodillos líquidos.

La dinámica de estos estados es rápida y depende del mismo campo eléctrico para influir en la rotación de Quincke. Se pueden aplicar fuerzas y pares magnéticos para regular con éxito la dinámica de materiales blandos, desde macromoléculas individuales hasta partículas sólidas y líquidos a granel. Se pueden utilizar para energizar sistemas en forma de campos magnéticos oscilantes, para dirigir o activar partículas pasivas.

Este trabajo detalló el desarrollo de rodillos Quincke ampliamente sintonizables mediante el uso de fuerzas y pares magnéticos. El sistema contenía partículas esféricas de dióxido de silicio dopadas con nanopartículas superparamagnéticas de óxido de hierro sumergidas en un medio líquido ligeramente conductor, que contenía n-dodecano con bis (2-etilhexil) sulfosuccinato de sodio.

Los científicos incubaron la dispersión en una cámara de baja humedad para reducir la carga de partículas y la confinaron en una geometría casi bidimensional con dos electrodos de placas paralelas transparentes. Las partículas respondían a campos eléctricos y magnéticos externos desarrollando dipolos eléctricos y magnéticos. El dipolo eléctrico se volvió inestable, como se ve con los rodillos Quincke no magnéticos normales, donde las partículas comenzaron a girar Quincke cuando la intensidad del campo eléctrico aplicado superó el umbral del campo.

Cuando Garza y ​​sus colegas sometieron los rodillos a un campo magnético uniforme en el plano dentro de la celda Hele-Shaw, los rodillos mantuvieron un momento magnético y experimentaron un par originado por interacciones dipolares con rodillos adyacentes y una anisotropía magnética débil dentro de las propias partículas. El par neto impulsó a las partículas a alinear sus ejes a lo largo de un campo magnético externo, fijando al mismo tiempo el eje de rotación de Quincke.

Este resultado permitió alinear los rodillos unidos con fuerzas magnéticas para formar una cadena. Cuando Garza y ​​sus colegas eliminaron el campo magnético, las fuerzas dipolares desaparecieron y la cadena volvió a los rodillos individuales; destacando la importancia de las fuerzas magnéticas y su reversibilidad. Los científicos utilizaron imágenes de alta velocidad para confirmar los ejes de rotación de las partículas.

Los investigadores observaron variaciones en las frecuencias de rotación y recopilaron estos datos siguiendo directamente el movimiento de las imperfecciones de las partículas en rotación. Observaron cómo las partículas flotaban entre los electrodos para estabilizar la cadena, seguido de una rara aparición de dímeros anómalos, lo que sugiere que no estaban magnéticamente monodispersos, con potencial para anisotropías complicadas para respaldar el estado anómalo del dímero.

Los científicos ajustaron el equilibrio entre las fuerzas magnéticas y electrohidrodinámicas para ajustar la fracción de rodillos participantes para formar cadenas activas. Las cadenas activas mostraron además interacciones a nivel de cadena donde las colisiones entre las cadenas llevaron a que se fusionaran por completo. Los investigadores ajustaron ampliamente los paisajes de energía potencial magnética de los experimentos, lo que condujo a la formación de gradientes de partículas en estado estacionario.

Además, los investigadores desarrollaron complejos paisajes de energía potencial, como una trinchera lineal o una pista de carreras circular, utilizando fuentes de campo magnético en forma de losa y anillo. Cuando el equipo indujo un paisaje de confinamiento cuadrático mediante el uso de un imán axisimétrico, observaron una población muy densa de rodillos que se autoensamblaban en un estado de vórtice.

La anisotropía magnética ofreció además la regulación dinámica de los rodillos para lograr trayectorias complejas, incluidos patrones cuadrados, y ayudó a la incorporación de la teletransportación para crear trayectorias que formaran palabras específicas como "SCI" ​​al combinar una guía externa ideal y la aleatoriedad intrínseca en el rodamiento Quincke.

De esta manera, Ricardo Reyes Garza y ​​sus colegas crearon rodillos Quincke magnéticos con comportamientos ricos y dinámicos, que sintonizaron con pares y fuerzas magnéticos para generar distribuciones de rodillos dímeros activos. Los científicos confinaron los estados colectivos en paisajes energéticos potenciales, patrones ondulantes e incluso teleoperaron dinámicas de partículas individuales para su regulación. En lugar de utilizar fuerzas y pares magnéticos para impulsar el sistema, los investigadores utilizaron la configuración simplemente para interactuar con partículas ya activas.

Como resultado, las fuerzas y pares magnéticos formaron un poderoso mecanismo regulador adecuado para interrogar y regular dinámicas complejas de sistemas activos en diversos campos de aplicaciones, como la electrohidrodinámica magnéticamente sintonizable, el autoensamblaje coloidal y la microrobótica.

Más información: Ricardo Reyes Garza et al, Rodillos magnéticos Quincke con dinámica de partícula única sintonizable y estados colectivos, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh2522

Antoine Bricard et al, Aparición de movimiento macroscópico dirigido en poblaciones de coloides móviles, Nature (2013). DOI: 10.1038/naturaleza12673

Información de la revista:Avances científicos, Naturaleza

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