Магнитные ролики Квинке: силы и моменты магнетизма, управляющие сложной динамикой активных частиц.

Jun 15, 2023

Особенность от 24 июля 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Тамараси Джевандара, Phys.org

Вращение Квинке определяется как спонтанное устойчивое вращение диэлектрической частицы, погруженной в диэлектрический растворитель, в постоянном и однородном электрическом поле. Активные частицы с электрогидродинамическим приводом, основанные на вращении Квинке, являются важной модельной системой возникающего коллективного поведения в неравновесных коллоидных системах. Ролики Квинке по своей природе немагнитны, и поэтому магнитные поля не могут использоваться для регулирования их сложной динамики.

В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Рикардо Рейес Гарза и исследовательская группа в области прикладной физики из Школы науки Университета Аалто (Финляндия) разработали магнитные валики Квинке с помощью частиц кремнезема, легированных суперпарамагнитными наночастицами оксида железа. Эта магнитная природа позволила применять внешние силы и крутящие моменты, которые можно регулировать с высокой пространственно-временной точностью. Приложения включают в себя настраиваемые взаимодействия между частицами с потенциальными ландшафтами, а также расширенные программируемые и телеуправляемые модели поведения.

Системы активной материи основаны на множестве отдельных агентов, которые поглощают энергию из окружающей среды, чтобы преобразовать ее в механические силы и движение. В последнее время исследователи проявляют повышенное внимание к искусственным активным системам, таким как частицы Януса, вибрирующие полярные диски и ролики Квинке. Ролики Квинке важны из-за их богатой коллективной динамики и ряда возникающих состояний, наблюдаемых с твердыми недеформируемыми роликами Квинке и деформируемыми каплями жидкости. К эмерджентным состояниям относятся полярные жидкости, вихри и активные эмульсии жидких роликов.

Динамика этих состояний быстрая и зависит от того же электрического поля, влияющего на вращение Квинке. Магнитные силы и крутящие моменты могут применяться для успешного регулирования динамики мягких материалов, начиная от отдельных макромолекул и заканчивая твердыми частицами и объемными жидкостями. Их можно использовать для подачи энергии в системы в виде колеблющихся магнитных полей, для управления или активации пассивных частиц.

В этой работе подробно описана разработка широко настраиваемых роликов Квинке с использованием магнитных сил и крутящих моментов. Система содержала сферические частицы диоксида кремния, допированные суперпарамагнитными наночастицами оксида железа, погруженные в слабопроводящую жидкую среду, содержащую н-додекан с бис(2-этилгексил)сульфосукцинатом натрия.

Ученые инкубировали дисперсию в камере с низкой влажностью, чтобы уменьшить заряд частиц, и ограничили ее квазидвумерной геометрией с помощью двух прозрачных параллельных пластинчатых электродов. Частицы реагировали на внешние электрические и магнитные поля, создавая электрические и магнитные диполи. Электрический диполь стал нестабильным, как это видно на обычных немагнитных роликах Квинке, где частицы начинали вращаться Квинке, когда напряженность приложенного электрического поля превышала пороговое поле.

Когда Гарза и его коллеги подвергли ролики воздействию однородного плоскостного магнитного поля внутри ячейки Хеле-Шоу, ролики сохранили магнитный момент и испытали крутящий момент, возникающий из-за диполярного взаимодействия с соседними роликами и слабой магнитной анизотропии внутри самих частиц. Чистый крутящий момент заставил частицы выровнять свои оси вдоль внешнего магнитного поля, одновременно фиксируя ось вращения Квинке.