Подталкивая крошечные самодвижущиеся частицы к образованию связных структур, можно разработать подход к созданию микромашин, вдохновлённых живыми системами. Исследователи манипулировали нитями материала, состоящего из таких «активных» частиц, и измеряли их реакцию. Понимание механики подобных структур будет иметь важное значение для проектирования таких устройств, как листы ресничек или автономные микророботы, выполняющие задачи по сборке материалов или в медицине.
Что такое активная материя?
Активная материя — это совокупность объектов, которые могут двигаться самостоятельно за счёт какого-либо энергозатратного процесса. В течение 15 лет исследователи изучали активные жидкости, которые, например, моделируют поведение стаи птиц или косяка рыб. Недавно учёные начали изучать активные твёрдые тела — полужёсткие структуры, состоящие из активных частиц. Такие структуры могут, в принципе, изменять свою форму контролируемым образом или адаптировать своё движение в соответствии с окружающей средой.
Эксперименты с активными твёрдыми телами
Жером Палаччи из Института науки и технологий Австрии и его коллеги ранее создали активное твёрдое тело из частиц диаметром 2 мкм, погружённых в воду. Каждая частица представляет собой пластиковую сферу с закреплённым на её поверхности кубиком гематита. При воздействии синего света гематит реагирует с перекисью водорода в воде и выделяет продукты реакции, подобно подводной ракете.
Во время процесса сборки активного твёрдого тела исследователи используют лазерные ловушки для организации частиц в нить шириной в 3 частицы и длиной до 20 частиц. Основные частицы ориентируют свои «ракетные двигатели» вертикально, обеспечивая притяжение к соседям, в то время как краевые частицы поворачивают свои двигатели горизонтально наружу, дополнительно укрепляя структуру.
Чтобы определить возможное применение этих объектов, которые можно рассматривать как миниатюрные балки, исследователи изучили их механические свойства в экспериментах, которые Палаччи описывает как «базовое гражданское строительство, но в микромасштабе». Постоянное колебание, создаваемое составляющими частицами, делает балку нетрадиционной: с точки зрения эффективной температуры, эти балки более чем в 10 раз горячее водяной бани, подсчитала команда.
Сначала исследователи наблюдали за колебаниями каждой балки и оценили её длину упругости, которая представляет собой длину, на протяжении которой балка действует как твёрдое тело. Этот параметр является мерой гибкости. Затем они зажали оба конца балки и растянули её, чтобы измерить её жёсткость.
В другом тесте исследователи зажали один конец балки так, чтобы она стояла вертикально, как стебель цветка. К своему удивлению, они обнаружили, что она начала раскачиваться вперёд и назад с периодом почти 20 секунд, что удивительно медленно для такой микроскопической системы. «Это было совершенно неожиданно», — говорит Палаччи. Этот период колебаний оставался неизменным независимо от длины балки.
Чтобы объяснить свои наблюдения, исследователи разработали модель вертикальной упругой балки в вязкой жидкости. Частица на её незакреплённом конце приводит балку в движение и может поворачиваться в любом направлении. Эта активная частица выравнивается за счёт потока воды вокруг неё — чем быстрее она движется, тем больше она остаётся направленной в определённом направлении. Активность частицы заставляет балку изгибаться до тех пор, пока сила, пытающаяся выпрямить балку, не станет сопоставимой с движущей силой активной частицы. В этот момент движение замедляется, позволяя частице повернуться в направлении, более соответствующем силе выпрямления. Затем начинается новый цикл.
По словам Корентина Кулейса, исследователя активной материи в Амстердамском университете, измерение поведения активных твёрдых тел в таком малом масштабе было сложной задачей. «Полученные результаты могут быть использованы для создания машин, использующих шум для повышения функциональности», — говорит он. Например, он представляет себе микромашину, которая может переключаться между формами или стилями передвижения в ответ на окружающую среду.
«Это первый шаг к созданию активных твёрдых тел в микромасштабе», — говорит Палаччи. Он представляет структуры, которые под воздействием окружающей среды могут изменять свои свойства, например жёсткость, без необходимости в схемах управления, которые в противном случае потребляли бы ограниченное пространство и энергию.
Рейчел Берковиц
Рейчел Берковиц — ответственный редактор журнала Physics Magazine в Ванкувере, Канада.