Bioinspirierte selbstorganisierte kolloidale Kollektive aktiver Materiesysteme

Aktive Materiesysteme zeichnen sich durch einzigartige Verhaltensweisen aus, zu denen kollektive Selbstorganisationsstrukturen und kollektive Migration gehören. Allerdings sind die Bemühungen, kollektive Einheiten in Räumen ohne Wandhalterung zu realisieren, um eine dreidimensionale Fortbewegung ohne Streuung durchzuführen, eine Herausforderung.

In einer neuen Studie veröffentlicht In Wissenschaftliche FortschritteMengmeng Sun und ein Forschungsteam im Bereich Maschinenbau und physikalische Intelligenz in China und Deutschland, ließen sich von den Migrationsmechanismen des Planktons bioinspirieren und schlugen eine bimodale Betätigungsstrategie durch die Kombination magnetischer und optischer Felder vor.

Während das Magnetfeld die Selbstorganisation magnetischer Kolloidpartikel auslöste, um zahlreiche Kolloide als dynamisch stabile Einheit aufrechtzuerhalten, ermöglichten die optischen Felder den Kolloidkollektiven die Erzeugung eines konvektiven Durchflusses photothermische Effekte für 3D-Driften. Die Kollektive führten eine 3D-Fortbewegung unter Wasser durch, um Einblicke in das Design intelligenter Geräte und intelligenter Materialien für synthetische aktive Materie zu gewinnen, die kollektive Bewegungen im 3D-Raum regulieren können.

Aktive lebende Materie

Aktive lebende Materie ist in der Natur allgegenwärtig und bietet selbstorganisierte Kollektive, die komplexe Aufgaben erfüllen können, die über die individuellen Fähigkeiten hinausgehen VogelschwärmeUnd Kolonien von Bakterien.

Bioinspiriert durch natürliche Kollektive ist es möglich, Kolloide als Bausteine ​​für Materialien zu untersuchen, ähnlich wie Atome, die Bausteine ​​von Molekülen und Kristallen bilden. Die kolloidale Selbstorganisation kann als Methode zur Herstellung von Nanostrukturen mit technischen Implikationen für den Aufbau nanoskaliger Elektronik, Energieumwandlung oder -speicherung, Arzneimittelabgabe und Katalysatoren untersucht werden.

Der Prozess der kolloidalen Anordnung kann auf einem strukturierten Substrat oder durch dieses hindurch geführt werden Langmuir-Blodgett-Versammlungfür Zusammenbau in Fasern und Zellenund wie chemische Signale.

In dieser Arbeit stellten Mengmeng Sun und ein Team von Wissenschaftlern einen neuen Ansatz vor, um eine 3D-Motilität kolloidaler Kollektive ohne Dispersion zu erreichen. Das kolloidale Kollektiv bestand aus ferrofluidische kolloidale Eisenpartikel mit einem Durchmesser unter 1 μm, angetrieben durch ein maßgeschneidertes rotierendes Magnetfeld, um sich selbst zu einem dynamisch stabilen Kollektiv zu organisieren.

Das Team konzentrierte sich auf optischer konvektiver Fluss Nutzung von Flüssigkeitsströmen für 3D-Driften – bioinspiriert durch Plankton. Sun und das Team diskutierten die Methoden für Übergänge kolloidaler Kollektive, um ihre Fortbewegungsfähigkeiten auf Wasseroberflächen zu untersuchen. Die Ergebnisse gipfelten in kolloidalen Kollektiven mit 3D-Mobilität zur Anpassung an komplexe Umgebungen mit physischer Intelligenz zur Fortbewegung, Selbstorganisation und Regulierung.

Bimodale Aktivierungsstrategie

Sun und das Forschungsteam haben eine bimodale Betätigungsstrategie magnetischer und optischer Felder übernommen, um die 3D-Fortbewegung kolloidaler Kollektive zu realisieren.

Im ersten Schritt lösten sie die Bildung kolloidaler Kollektive aus, indem sie ein Magnetfeld mit drei einstellbaren Parametern einschlossen, darunter Nickwinkel, Frequenz und Stärke. In Abwesenheit eines Magnetfelds zeigten sich zunächst die ferrofluidischen Kolloide Brownsche Bewegung nach der Eingewöhnung.

Sobald sie durch das maßgeschneiderte rotierende Magnetfeld mit Energie versorgt wurden, organisierten sie sich selbst und bildeten kleine primitive Kollektive, die als kolloidale Nichtgleichgewichtskollektive bekannt sind, deren Größe weiter zunahm und mit benachbarten Partikeln verschmolz, um zu deren Wachstum beizutragen. Dies bestätigten die Wissenschaftler anhand von Simulationen.

Die Morphologie des kolloidalen Kollektivs hing von der Stärke und Frequenz des angelegten Magnetfelds ab, was es dem Kollektiv ermöglichte, seine Integrität aufrechtzuerhalten, was die Bildung und Aufrechterhaltung seiner dynamischen Stabilität auslöste.

Temperaturgefälle

Die dispergierten kolloidalen Ferrofluidpartikel absorbierten Licht im nahen Infrarot, um es in Wärmeenergie umzuwandeln, was zu einem lokalen Temperaturgradienten führte. Der Temperaturgradient löste eine konvektive Strömung aus, die die Partikel nach oben beförderte und sich in einem Kollektiv mit verstärktem photothermischem Effekt sammelte. Dies führte zur Aufrechterhaltung einer dynamisch stabilen Einheit, ohne zu zerfallen.

In Abwesenheit eines optischen Nahinfrarotfelds kühlte sich das kolloidale Kollektiv mit einer geschwächten hydrodynamischen Kraft ab und sank zunehmend unter der Schwerkraft.

Diese Proben passten daher das optische Feld für Konvektion an und erreichten eine vertikale Aufwärts-, Schwebe- und gerichtete horizontale Bewegung. Da die hydrodynamische Kraft größer als die Schwerkraft war, drückte die Konvektion das Kollektiv vertikal nach oben, wodurch das kolloidale Kollektiv unter Wasser schweben konnte. Durch die Regulierung des optischen Feldes steuerten Sun und sein Team die Bewegung des Kolloidkollektivs und passten ihre Positionen unter Wasser an.

Übergänge durch die Luft-Wasser-Grenzfläche

Die Wissenschaftler untersuchten die Fähigkeit des kolloidalen Kollektivs, mithilfe induzierter Konvektionsströmung die Wasseroberfläche zu durchbrechen; um anzuzeigen, wie die Proben das Wasser erfolgreich verlassen haben, indem sie die Oberflächenspannung des Wassers überwunden haben.

Die kolloidalen Kollektive überwanden die Oberflächenspannung und die Schwerkraft und sorgten für einen gut regulierten Übergang durch die Wasseroberfläche ins Wasser tauchen an einem gewünschten Ort und zu einer gewünschten Zeit. Die Forscher analysierten die Konstrukte mithilfe von Auftrieb, hydrodynamischer Kraft aus Konvektion, Oberflächenspannung und Schwerkraft.

Sun und sein Team untersuchten diese Effekte auf herkömmliche Mikroroboterkollektive, um räumlich symmetrische Interaktionen einzuführen Fortbewegung unter WasserUnd auf der Wasseroberfläche. Das Team nutzte magnetische und optische Felder, um die Bewegung solcher Mikroroboterkollektive auf der Wasseroberfläche voranzutreiben, wo sie zum Transport angetrieben durch ein optisches Feld den Wassermeniskus hinaufstiegen. Solche als Surface Walker bezeichneten Instrumente können Hindernisse überqueren, die größer als ihre eigene Größe sind, und hohe Barrieren umgehen, um sie in den Bereichen Umweltwissenschaften, Medizin und Ingenieurwesen einzusetzen.

Ausblick

Auf diese Weise ließen sich Mengmeng Sun und Kollegen von den Migrationsmechanismen des Planktons inspirieren, um kolloidale Kollektive dazu anzutreiben, sich im 3D-Raum ohne Grenzen zu bewegen. Das Team kombinierte magnetische und optische Felder für eine wohlgeformte und regulierte 3D-Fortbewegung aktiver kolloidaler Kollektive in einer aquatischen Umgebung, wobei die kombinierten optischen und magnetischen Felder die 3D-Fortbewegung erleichterten.

Diese Sedimente und kolloidalen Systeme stellen einen leistungsstarken Prozess zur Erforschung der Physik der Selbstorganisation und zur Entwicklung einer praktischen Methode zur Synthese funktioneller Materialien dar.

Die lebenden Systeme können unter externen Magnetfeldern selbstorganisierte kolloidale Kollektive bilden, um Strukturen zu schaffen, die durch Räume und Grenzflächen geführt werden können, um ungewöhnliche Geometrien und Muster zu erreichen.

Sun und sein Team beabsichtigen, diese Kollektive und ihre Komplexität für die Materialsynthese und das Materialdesign zu untersuchen. Diese doppelt reagierenden Konstrukte können als Mikroroboterkollektive für die Anpassungsfähigkeit an die Umwelt mit praktischen Anwendungen in Bioflüssigkeiten mit hoher Viskosität und hohen Ionenkonzentrationen mit breiten Anwendungen in der biomedizinischen Technik fungieren.

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