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| Cuando estas partículas autopropulsadas se unen, pueden organizarse y moverse como bancos de peces para realizar funciones robóticas. Crédito: Laboratorio Kyle Bishop |
Oscilaciones de Quincke de coloides en electrodos planos
Las partículas dieléctricas en fluidos de conducción débil giran espontáneamente cuando se someten a fuertes campos eléctricos. Tal rotación de Quincke cerca de un electrodo plano conduce a la traslación de partículas que permite modelos físicos de materia activa. En esta carta, mostramos que los rodillos Quincke también pueden exhibir una dinámica oscilatoria, mediante la cual las partículas se mueven hacia adelante y hacia atrás en una ubicación fija. Explicamos cómo surgen oscilaciones para partículas de escala micrométrica acordes con el grosor de una capa límite inducida por el campo en el electrolito no polar. Este trabajo posibilita el diseño de osciladores coloidales.
Una frontera desafiante en ciencia e ingeniería es controlar la materia fuera del equilibrio termodinámico para construir sistemas materiales con capacidades que rivalizan con las de los organismos vivos. La investigación sobre coloides activos tiene como objetivo crear "partículas" a micro y nanoescala que nadan a través de fluidos viscosos como microorganismos primitivos. Cuando estas partículas autopropulsadas se unen, pueden organizarse y moverse como bancos de peces para realizar funciones robóticas, como navegar por entornos complejos y entregar "carga" a ubicaciones específicas.
Un equipo de Columbia Engineering dirigido por Kyle Bishop, profesor de ingeniería química, está a la vanguardia del estudio y diseño de la dinámica de coloides activos alimentados por reacciones químicas o por campos magnéticos, eléctricos o acústicos externos. El grupo está desarrollando robots coloidales, en los que los componentes activos interactúan y se ensamblan para realizar funciones dinámicas inspiradas en células vivas.
En un nuevo estudio publicado hoy por Physical Review Letters, el grupo de Bishop, que trabaja con colaboradores del Centro de Ciencias Energéticas Bioinspiradas (CBES) de la Universidad de Northwestern, informa que han demostrado el uso de campos eléctricos de CC para impulsar la rotación hacia adelante y hacia atrás. de micropartículas en capas límite eléctricas. Estos osciladores de partículas podrían ser útiles como relojes que coordinan la organización de la materia activa e incluso, quizás, orquestan las funciones de los robots a escala micrométrica.
"Los osciladores de partículas diminutas podrían permitir nuevos tipos de materia activa que combinen los comportamientos de enjambre de los coloides autopropulsados y los comportamientos de sincronización de los osciladores acoplados", dice Bishop. "Esperamos que las interacciones entre las partículas dependan de sus respectivas posiciones y fases, permitiendo así comportamientos colectivos más ricos, comportamientos que pueden diseñarse y explotarse para aplicaciones en robótica de enjambres".
Hacer un reloj confiable a escala micrométrica no es tan simple como parece. Como se puede imaginar, los relojes de péndulo no funcionan bien cuando se sumergen en miel. Su movimiento periódico, como el de todos los osciladores inerciales, se detiene con suficiente resistencia a la fricción. Sin la ayuda de la inercia, es igualmente desafiante impulsar el movimiento oscilatorio de partículas de escala micrométrica en fluidos viscosos.
"Nuestra reciente observación de esferas coloidales que oscilan hacia adelante y hacia atrás en un campo eléctrico de CC presentó un poco de misterio, uno que queríamos resolver", observa el autor principal del artículo, Zhengyan Zhang, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Bishop que descubrió este efecto. "Al variar el tamaño de las partículas, la intensidad del campo y la conductividad del fluido, identificamos las condiciones experimentales necesarias para las oscilaciones y descubrimos el mecanismo subyacente a la dinámica rítmica de las partículas".
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| La investigación sobre coloides activos tiene como objetivo crear "partículas" a micro y nanoescala que nadan a través de fluidos viscosos como microorganismos primitivos. Crédito: Laboratorio Kyle Bishop |
Trabajos anteriores han demostrado cómo partículas similares pueden rotar de manera constante mediante un proceso conocido como rotación de Quincke. Como una rueda de agua llena desde arriba, la inestabilidad de Quincke es impulsada por la acumulación de carga eléctrica en la superficie de la partícula y su rotación mecánica en el campo eléctrico. Sin embargo, los modelos existentes de rotación de Quincke, y de ruedas hidráulicas sobreamortiguadas, no predicen la dinámica oscilatoria.
Este nuevo estudio caracteriza y explica las oscilaciones "misteriosas" haciendo referencia a una capa límite en el electrolito apolar. Dentro de esta capa, a menudo ignorada por los investigadores, se generan portadores de carga y luego migran bajo la influencia del campo eléctrico. Estos procesos introducen asimetrías espaciales en las tasas de acumulación de carga en la superficie de la partícula. Como una rueda de agua cuyos cubos gotean más rápido en la parte superior que en la parte inferior, la carga asimétrica puede provocar una rotación hacia adelante y hacia atrás con intensidades de campo altas.
"La tasa de generación limitada de cargas en estos electrolitos débiles crea una capa límite comparable al tamaño de la partícula bajo un campo eléctrico fuerte, como lo encontró numéricamente mi estudiante de doctorado Hang Yuan, coautor del trabajo. Como resultado, la 'conductividad' de los iones alrededor de las partículas que se encuentran dentro de la gran capa límite no es constante, lo que lleva a las oscilaciones observadas en campos eléctricos fuertes ", dice Monica Olvera de la Cruz, profesora Abogada Taylor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química y (por cortesía) Ingeniería química y biológica, física y astronomía en Northwestern Engineering.
"Este trabajo muestra una forma de generar osciladores, lo que podría conducir a la aparición de fenómenos cooperativos en los fluidos", agrega.
El equipo experimentó con diferentes formas de partículas y descubrió que podían generar oscilaciones con cualquier partícula, siempre que su tamaño fuera comparable al de la capa límite.
"Al ajustar la intensidad del campo y / o el electrolito, podemos controlar de manera predecible la frecuencia de estos 'relojes Quincke'", agrega Bishop. "Nuestro artículo permite el diseño de nuevas formas de materia activa basadas en colecciones de osciladores móviles".
Actualmente, el equipo está estudiando los comportamientos colectivos que surgen cuando muchos osciladores de Quincke se mueven e interactúan entre sí.
Más Información: Zhengyan Zhang et al, Quincke Oscillations of Colloids at Planar Electrodes, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.258001 Journal information: Physical Review Letters