Учёные Токийского университета наук продемонстрировали коллективное движение более 10 000 частиц за счёт невзаимных взаимодействий
Материал подготовлен искусственным интеллектом на основе нескольких источников — ссылки на оригиналы приведены ниже.
Учёные Токийского университета наук показали, что более 10 000 коллоидных частиц могут коллективно двигаться, нарушая симметрию действия и противодействия. Частицы, не обладающие самостоятельным движением, образовали асимметричные пары и поддерживали движение более часа под воздействием переменного электрического поля, согласно исследованию, опубликованному 6 августа в Physical Review Letters.
Экспериментальная система
Исследователи поместили коллоидные частицы полистирола двух размеров — радиусом 1 и 1,5 микрометра — в воду между прозрачными электродами из оксида индия-олова. При подаче переменного электрического поля возникали электрогидродинамические (ЭГД) потоки, сила которых резко возрастала с размером частиц. Система содержала более 10 000 частиц и поддерживала динамику более одного часа. Работу возглавили профессор Ютака Сумино и ассистент-профессор Киваму Ёсии из Токийского университета наук, а также студенты Сёма Хара, Кэйсукэ Киттака, Хироаки Исикава и Масадзуми Окада.
Невзаимные взаимодействия
Поскольку сила ЭГД-потоков увеличивается с размером частиц, более крупные частицы радиусом 1,5 мкм создавали более сильные потоки и притягивали мелкие частицы радиусом 1 мкм сильнее, чем наоборот. Этот дисбаланс нарушил симметрию действия и противодействия согласно третьему закону Ньютона, который справедлив только для пассивных систем. В результате возникло невзаимное эффективное взаимодействие, при котором меньшие частицы «преследовали» более крупные, что привело к спонтанному образованию асимметричных пар с выраженной ориентацией «перед-зад».
Коллективное движение и значимость
Наблюдаемая динамика сохранялась в больших масштабах и в течение длительного времени, что делает систему экспериментально управляемым полигоном для невзаимной физики многих тел. Сумино отметил, что платформа позволяет исследовать, как нарушение симметрии порождает коллективные явления. Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, показывает, что поведение активной материи, такое как роение и кластеризация, может возникать без самостоятельного движения отдельных частиц, когда межчастичные силы асимметричны.
Что дальше
Группа Токийского университета наук планирует изучить, как изменение концентрации частиц и параметров электрического поля может привести к более сложным коллективным состояниям, включая роение и разделение фаз. Пока неясно, играют ли подобные невзаимные механизмы роль в биологической активной материи или могут быть использованы в микроробототехнике.
1 источник
Учёные Токийского университета наук продемонстрировали коллективное движение более 10 000 частиц за счёт невзаимных взаимодействий
