Los físicos de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg y Heinrich-Heine Universität Düsseldorf han demostrado que la desmezcla se produce en sistemas formados por partículas macroscópicas que giran en direcciones opuestas y que las partículas que giran en sentido horario o antihorario forman grupos homogéneos. Los investigadores utilizaron robots en miniatura fabricados con métodos de impresión 3-D para su experimento. Los resultados ya se han publicado en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza .

El fenómeno en sí es bien conocido. Los organismos biológicos como las bacterias y las partículas activas artificiales tienden a organizarse en enjambres y patrones. Sin embargo, cómo funciona esta autoorganización y qué fuerzas están involucradas aún no se ha estudiado en gran medida. Los experimentos sobre la dinámica de partículas microscópicas son difíciles de realizar y el alcance de las simulaciones es limitado porque aún no se comprenden los mecanismos fundamentales de interacción.

La vibración hace que los mini robots giren

Los físicos de la FAU y la Universidad de Düsseldorf ahora han observado cómo las partículas giratorias se autoorganizan durante los experimentos. Para hacerlo colocaron pequeños robots sobre una placa base vibratoria. Miden alrededor de 1,5 centímetros y están equipados con siete patas inclinadas que actúan como resortes elásticos y convierten el impulso de vibración en movimiento giratorio. Para mejorar las interacciones, los robots, fabricado con impresoras 3-D, estaban equipados con cuatro estrías que los hacían comportarse como ruedas dentadas que engranan. "Nuestra configuración es bastante simple, ", explica el profesor Thorsten Pöschel del Instituto de Simulación Multiescala en FAU." Colocamos 210 rotores girando en el sentido de las agujas del reloj y 210 rotores girando en el sentido contrario a las agujas del reloj en un anillo en una configuración de tablero de damas completamente mezclada. Encendimos la mesa vibratoria y observamos lo que sucedió ".

Las partículas de malla se pegan juntas

Los investigadores se sorprendieron con los resultados:los dominios individuales eran claramente visibles después de solo un minuto, y después de 15 minutos, los robots se habían desmezclado casi por completo. "Esta segmentación no es intuitiva, ", dice el Dr. Christian Scholz del Instituto de Física Teórica II de la Heinrich-Heine Universität Düsseldorf." Podríamos haber esperado que las partículas que giran en direcciones opuestas permanezcan juntas porque sus estrías no se entrelazan, similar a una cadena de ruedas dentadas giratorias que rotar alternativamente hacia la derecha o hacia la izquierda ". Lo contrario es cierto, sin embargo. Los rotores que giran en la misma dirección se entrelazan y forman grupos. Al rastrear los robots individuales, Los investigadores observaron corrientes de borde superdifusivas:las partículas cercanas a las interfaces son más móviles que las del centro de los Dominios.

Las simulaciones confirman los resultados del experimento.

Numerosas repeticiones muestran que los resultados del experimento son muy sólidos:los rotores se habían formado principalmente tres o cuatro dominios separados después de 1000 segundos de vibración. Las simulaciones basadas en las ecuaciones de Langevin siempre muestran una desmezcla completa en dos grupos. "El hecho de que las variaciones durante las pruebas fueran mayores que las de la simulación podría haber sido causado por imperfecciones en la forma de nuestros rotores impresos con impresoras 3-D y por la influencia de la gravedad, ya que no podemos alinear la vibración mesa en posición completamente horizontal, "explica el Prof. Dr. Michael Engel del Instituto de Simulación Multiescala de FAU.

Tanto el enfoque experimental que utiliza rotores físicos como las simulaciones de Langevin son adecuados para describir la dinámica colectiva y la separación de fases de las partículas en rotación. Los investigadores esperan hacer una contribución a la investigación adicional en materia blanda activa y partículas microscópicas o incluso moleculares. Los resultados del proyecto han sido publicados bajo el título "Los robots rotativos se mueven colectivamente y se autoorganizan" en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza .