 От стаи скворцов до косяка рыб - природа полна сложной динамики, которые возникают из коллективного поведения индивидов. В последние годы возрос интерес в попытке захватить аналогичную динамику, чтобы изготовить самособирающиеся материалы из так называемого «активного вещества».
Исследователи университета Брауна пролили новый свет на конкретного класс активного вещества, называемый активными коллоидами - коллекциями крошечных движущихся частиц, взвешенных в жидкости. Используя численные модели и компьютерное моделирование, исследователи показывают, как вращающиеся частицы, выталкиваемые потоком жидкости, создаются по мере того, как каждая частица может организовать себя в массив возникающих макро-масштабных моделей.
Исследование может помочь инженерам в понимании динамики этих систем и разработки новых материалов, используя вращающиеся коллоидные частицы.
Исследование активных коллоидных роторов является относительно новым. В последние несколько лет, несколько экспериментальных групп показали, что отдельные частицы в жидкости при вращении с помощью магнитных или электрических полей, могут образовывать интересные коллективных структуры. Например, одна группа недавно показала, что провода миллиметрового масштаба можно собрать подобным образом из ферромагнитных микрочастиц.
Исследователи использовали вычислительные методы, чтобы попытаться лучше понять, какие механизмы стоят за этими возникающими шаблонами. Для данного исследования, ученые специально просматривали, как течение жидкости может повлиять на такие системы.
Проблема со сложными системами, как активные коллоиды с электромагнитным приводом, заключается в том, что вы не знаете, какие динамики приходят из взаимодействий. Таким образом, ученые хотят сделать шаг назад и посмотреть на то, что делает жидкость с формирующимся шаблоном, так как среда жидкости всегда присутствует в этих системах. Тогда в будущем они смогут масштабировать и объединять это с другими взаимодействиями, такими как электрическое или магнитное, и сравнивать их с экспериментами».
Ученые смоделировали систему, в которой одна половина частиц вращается по часовой стрелке, а другая половина вращается против часовой стрелки. По мере того, как вращается каждая частица, она создает помехи в жидкости, и это влияет на соседние частицы. Частицы взаимодействуют через потоки возмущений, которые они создают, а также прямые столкновения.
Моделирование показало, что при низких концентрациях частиц, жидкость толкает частицы хаотически, без какого-либо заметного шаблона. Но по мере того, как концентрация частиц возрастает, начинают появляться шаблоны. В определенный момент, частицы начинают разделяться в соответствии с направлением спина - формируя различные полосы частиц с тем же спином. По мере увеличения концентрации формируются малые закрученные вихри частиц с тем же спином. При еще более высоких концентрациях формируется большая ураганоподобная структура частиц с одинаковым спином. Но если концентрация слишком высока, то частицы просто заклинятся в кристаллы и больше не смогут отделиться.
В конечном счете, ученые надеются, что подобное моделирование может помочь ученым использовать возникающее поведение, чтобы сделать новые материалы. Компьютерное моделирование намного дешевле для выполнения, и может дать экспериментаторам полезный набор параметров того, какие интересные динамики можно увидеть в системе.
|
