Rulli Quincke magnetici: forze e coppie di magnetismo che guidano la dinamica complessa delle particelle attive

Jun 15, 2023

Funzionalità del 24 luglio 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La rotazione di Quincke è definita come la rotazione stazionaria spontanea di una particella dielettrica immersa in un solvente dielettrico sotto un campo elettrico stabile e uniforme. Le particelle attive guidate elettroidrodinamicamente basate sulla rotazione di Quincke sono un sistema modello significativo per il comportamento collettivo emergente nei sistemi colloidali non in equilibrio. I rulli Quincke sono intrinsecamente non magnetici e pertanto i campi magnetici non possono essere utilizzati per regolare la loro complessa dinamica.

In un nuovo rapporto pubblicato su Science Advances, Ricardo Reyes Garza e un gruppo di ricerca in fisica applicata, Aalto University School of Science, Finlandia, hanno sviluppato rulli Quincke magnetici tramite particelle di silice drogate con nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche. Questa natura magnetica ha consentito l’applicazione di forze e coppie esterne che possono essere regolate con elevata precisione spazio-temporale. Le applicazioni includono interazioni interparticellari sintonizzabili con paesaggi potenziali e comportamenti avanzati programmabili e teleoperati.

I sistemi di materia attiva si basano su molti agenti individuali che assorbono energia dal loro ambiente per convertirla in forze meccaniche e movimento. Recentemente, i ricercatori hanno mostrato una maggiore attenzione ai sistemi attivi artificiali come le particelle Janus, i dischi polari vibrati e i rulli Quincke. I rulli Quincke sono significativi per la loro ricca dinamica collettiva e una gamma di stati emergenti osservati con rulli Quincke solidi e indeformabili e goccioline liquide deformabili. Gli stati emergenti includono liquidi polari, vortici ed emulsioni attive di rulli liquidi.

La dinamica di questi stati è veloce e dipende dallo stesso campo elettrico per influenzare la rotazione di Quincke. Le forze e le coppie magnetiche possono essere applicate per regolare con successo la dinamica di materiali morbidi che vanno dalle singole macromolecole alle particelle solide e ai liquidi sfusi. Possono essere utilizzati per energizzare i sistemi sotto forma di campi magnetici oscillanti, per guidare o attivare particelle passive.

Questo lavoro ha dettagliato lo sviluppo di rulli Quincke ampiamente regolabili utilizzando forze e coppie magnetiche. Il sistema conteneva particelle sferiche di biossido di silicio drogate con nanoparticelle di ossido di ferro superparamagnetiche immerse in un mezzo liquido leggermente conduttivo, contenente n-dodecano con bis (2-etilesil) solfosuccinato di sodio.

Gli scienziati hanno incubato la dispersione in una camera a bassa umidità per ridurre la carica delle particelle e l’hanno confinata in una geometria quasi bidimensionale con due elettrodi a piastre parallele trasparenti. Le particelle rispondevano ai campi elettrici e magnetici esterni sviluppando dipoli elettrici e magnetici. Il dipolo elettrico divenne instabile, come visto con i normali rulli Quincke non magnetici, dove le particelle iniziarono a ruotare Quincke quando l'intensità del campo elettrico applicato superava il campo soglia.

Quando Garza e colleghi hanno sottoposto i rulli a un campo magnetico uniforme nel piano all’interno della cella di Hele-Shaw, i rulli hanno mantenuto un momento magnetico e hanno sperimentato una coppia originata dalle interazioni dipolari con i rulli adiacenti e da una debole anisotropia magnetica all’interno delle particelle stesse. La coppia netta ha spinto le particelle ad allineare i loro assi lungo un campo magnetico esterno, fissando allo stesso tempo l'asse di rotazione di Quincke.