科学和工程领域的一个具有挑战性的前沿领域是控制热力学平衡之外的物质,以构建具有与生物体相媲美的能力的材料系统。对活性胶体的研究旨在创造微米和纳米级的“粒子”,它们可以像原始微生物一样在粘性流体中游动。当这些自行推进的粒子聚集在一起时,它们可以像鱼群一样组织和移动,以执行机器人功能,例如在复杂的环境中导航并将“货物”运送到目标位置。


由化学工程教授凯尔·毕晓普 (Kyle Bishop) 领导的哥伦比亚工程团队处于研究和设计由化学反应或外部磁场、电场或声场驱动的活性胶体动力学的前沿。该小组正在开发胶体机器人,其中活动组件相互作用和组装以执行受活细胞启发的动态功能。


工程师开发出新型粒子振荡器,可协调微米级机器人的功能

当这些自行推进的粒子聚集在一起时,它们可以像鱼群一样组织和移动以执行机器人功能。来源:凯尔毕晓普实验室


在物理评论快报今天发表的一项新研究中,毕晓普的小组与西北大学生物启发能源科学中心 (CBES) 的合作者合作,报告说他们已经证明了使用直流电场来驱动来回旋转的微颗粒在电边界层。这些粒子振荡器可以用作协调活性物质组织的时钟,甚至可能协调微米级机器人的功能。


“微小的粒子振荡器可以使新型活性物质结合自推进胶体的集群行为和耦合振荡器的同步行为,”毕晓普说:“我们希望粒子之间的相互作用取决于它们各自的位置和相位,从而实现更丰富的集体行为——可以为群体机器人应用设计和利用的行为。”


制作一个可靠的微米级时钟并不像听起来那么简单。可以想象,当浸入蜂蜜中时,摆钟无法正常工作。它们的周期性运动——就像所有惯性振荡器一样——在足够的摩擦阻力下停止。如果没有惯性的帮助,在粘性流体中驱动微米级粒子的振荡运动同样具有挑战性。


“我们最近对在直流电场中来回振荡的胶体球体的观察提出了一些谜团,这是我们想要解决的问题,”该论文的主要作者、博士生张正艳观察到。Bishop 实验室的学生发现了这种效应:“通过改变粒子大小、场强和流体电导率,我们确定了振荡所需的实验条件,并揭示了粒子节奏动力学背后的机制。”


工程师开发出新型粒子振荡器,可协调微米级机器人的功能

对活性胶体的研究旨在创造微米和纳米级的“粒子”,它们可以像原始微生物一样在粘性流体中游动。来源:凯尔毕晓普实验室


早期的工作已经证明了类似的粒子如何通过称为 Quincke 旋转的过程稳定旋转。就像从上方填充的水轮一样,Quincke 不稳定性是由粒子表面上的电荷积累及其在电场中的机械旋转驱动的。然而,现有的 Quincke 旋转模型和过阻尼水轮模型并不能预测振荡动力学。


这项新研究通过参考非极性电解质中的边界层来表征和解释“神秘”振荡。在这个经常被研究人员忽略的层内,产生了电荷载流子,然后在电场的影响下迁移走。这些过程在粒子表面的电荷积累率中引入了空间不对称性。就像水轮在顶部漏水比在底部漏水快一样,不对称充电会导致在高场强下来回旋转。


“这些弱电解质中有限的电荷产生率产生了一个边界层,该边界层与强电场下的粒子大小相当,正如我的博士生 Hang Yuan(该工作的合著者)在数值上发现的那样。作为结果,大边界层内粒子周围的离子的‘电导率’不是恒定的,导致在强电场下观察到的振荡,”材料科学与工程、化学和化学系 Taylor 教授 Monica Olvera de la Cruz 说。


“这项工作展示了一种产生振荡器的方法,这可能导致流体中出现合作现象,”她补充道。


该团队对不同形状的粒子进行了实验,发现它们可以与任何粒子产生振荡,只要它们的大小与边界层的大小相当。


“通过调整场强和/或电解质,我们可以预测地控制这些‘Quincke 时钟’的频率,”Bishop 补充道:“我们的论文能够基于移动振荡器的集合设计新形式的活性物质。”


该团队目前正在研究当许多 Quincke 振荡器相互移动和相互作用时出现的集体行为。



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