Los coloides activados son excelentes sistemas modelo para investigar estructuras emergentes fuera de equilibrio, dinámicas colectivas complejas y reglas de diseño para materiales de próxima generación. En un nuevo informe, Koohe Han y un equipo de investigación suspendieron micropartículas ferromagnéticas en una interfaz aire-agua y las energizaron con un campo magnético giratorio externo para formar conjuntos dinámicos de hilanderos sincronizados. Cada hilandero generó fuertes flujos hidrodinámicos con interacciones colectivas entre múltiples hilanderos para promover la formación de celosías dinámicas. Usando experimentos y simulaciones, revelaron transiciones estructurales de estados líquidos a casi cristalinos, demostrando la naturaleza reconfigurable de las celosías giratorias dinámicas. Los materiales mostraron un comportamiento de autocuración y transportaron partículas de carga inertes incrustadas, sintonizado por los parámetros de excitación externa. Los hallazgos ahora se publican en Avances de la ciencia , y proporcionar información sobre el comportamiento de los materiales activos giratorios con un orden estructural reconfigurable y funcionalidades ajustables.

Las partículas fuera de equilibrio pueden asignar reglas de diseño para materiales reconfigurables de próxima generación debido a su potencial para autoorganizarse. Los científicos pueden controlar los parámetros del campo de excitación que se basan en un influjo de energía externa de un campo eléctrico o magnético para cambiar la respuesta dinámica y colectiva de las partículas activadas en un proceso regulado. Estos sistemas activos impulsados ​​por el campo son candidatos prometedores para aplicaciones en la purificación de agua y la administración de fármacos dirigida al ajustar sus propiedades de transporte a pedido. La investigación reciente se ha centrado en las partículas autopropulsadas que van desde el encadenamiento dinámico y la agrupación hasta el flocado y la turbulencia activa. Explorar el autoensamblaje dinámico de partículas coloidales puede proporcionar una técnica sólida para generar grandes conjuntos de hiladores microscópicos. Estos rotores no son bloques de construcción fáciles para el ensamblaje dinámico, ya que giran en direcciones aleatorias y se desintegran.

Para obtener un mejor control y sintonización del material activo de la hiladora, El equipo desarrolló un sistema de hilanderos autoensamblados de co-rotación sincrónica que son estables y están acoplados de manera eficiente a través de flujos hidrodinámicos autoinducidos. En este trabajo, Han y col. informaron de la formación dinámica de enjambres de hilanderos sincronizados y autoensamblados a partir de partículas ferromagnéticas de níquel (Ni) suspendidas en una interfaz aire-agua y energizadas con un campo magnético giratorio en el plano. Los hilanderos autoensamblados generaron fuertes flujos hidrodinámicos para provocar un conjunto de fases dinámicas colectivas. Han y col. experimentos combinados y simulaciones para investigar las propiedades estructurales y de transporte de estos materiales hilanderos activos, Los hallazgos proporcionarán información sobre las propiedades de los materiales giratorios activos sintéticos para el transporte y la manipulación de partículas a microescala.

El equipo aplicó un campo magnético estático perpendicular a la interfaz aire-agua para permitir el autoensamblaje dinámico de hilanderos a partir de partículas de níquel ferromagnético suspendidas. Energizaron el sistema utilizando un campo magnético giratorio externo aplicado en el plano con la interfaz. El autoensamblaje de los hilanderos fue totalmente reversible y controlado mediante parámetros del campo externo, para ensamblar hiladores de partículas múltiples impulsados ​​por campo magnético en estructuras casi enrejados. Los hilanderos magnéticos descritos en los experimentos y simulaciones diferían en dos aspectos importantes de los discos giratorios previamente diseñados. Específicamente, (1) la atracción magnética entre las partículas fue lo suficientemente fuerte como para superar la repulsión y formar cadenas, y (2) la alta anisotropía de los hilanderos permitió que el campo de flujo variara periódicamente en el tiempo.

Han y col. observó grandes conjuntos de hilanderos autoensamblados sincronizados para exhibir una autoorganización dinámica y calculó el orden hexagonal orientado al enlace para cuantificar el orden local de los hilanderos. Los cambios en el valor medio de los parámetros de orden de enlace hexagonal de las celosías de los hiladores revelaron una transición clara de la fase líquida a las fases cristalinas con una densidad creciente del hilador. A baja densidad, los hilanderos retuvieron un comportamiento similar al líquido:a medida que aumentaba la densidad, se volvieron más restringidos en su movimiento para formar celosías giratorias autoorganizadas.

Las simulaciones capturaron de manera similar el orden líquido de los hilanderos a bajas densidades, aunque su transición a sólidos no fue tan pronunciada en comparación con los experimentos. Para investigar más y caracterizar en detalle el orden estructural de las celosías dinámicas del hilandero, el equipo analizó las posiciones relativas de los hilanderos dentro del conjunto y observó que los hilanderos se autoorganizaban en celosías con un espaciado entre hilanderos dependiente de la frecuencia bien definido a altas densidades. Las redes de hilanderos sincronizados formaron una nueva clase de cristales activos acompañados de un vigoroso campo de flujo vortical. Las celosías de espín autoorganizadas retuvieron la capacidad de autocuración, que Han et al. mostrado al destruir intencionalmente la celosía del hilandero con una gran cuenta de vidrio que pasa a través de su interfaz, una vez que la cuenta ha pasado a través de la interfaz, el punto afectado se auto-repara en unos segundos.

Los fuertes flujos hidrodinámicos subyacentes autoinducidos indicaron la posibilidad de una red de hilanderos sincronizados para transportar de manera efectiva partículas de carga pasivas. Para caracterizar esto, los científicos determinaron el coeficiente de difusión de una partícula pasiva no magnética colocada dentro de una red giratoria dinámica mediante el seguimiento de su desplazamiento cuadrático medio (MSD). Se refirieron al transporte de partículas como difusión activa, ya que los resultados fueron órdenes de magnitud mayores que los correspondientes al movimiento browniano térmico pasivo. Ellos sintonizaron de manera eficiente el coeficiente de difusión activa basándose en la frecuencia del campo externo. El comportamiento del sistema contribuyó a los cambios en las distancias de la hiladora a la hiladora dentro de la red para formar un efecto de enjaulado en una cuenta de carga pasiva e impedir su salida de la celda. Al igual que con los experimentos, las simulaciones mostraron un movimiento y una difusión mejorados para partículas trazadoras pequeñas y grandes, sin embargo, Han y col. no observó dependencia de la frecuencia para el coeficiente de difusión durante la simulación en comparación con los experimentos. Por lo tanto, los científicos sugieren utilizar simulaciones tridimensionales (3-D) para aclarar el origen de la discrepancia observada.

De este modo, Koohe Han y sus colegas informaron los resultados de las propiedades estructurales y de transporte de un nuevo material activo compuesto de autoensamblado, hilanderos sincronizados. Suspendieron micropartículas ferromagnéticas en una interfaz aire-agua para el autoensamblaje dinámico en múltiples hilanderos alimentados por un campo magnético giratorio aplicado en la interfaz. La actividad del sistema se originó debido al movimiento de rotación de los hilanderos, a diferencia de los sistemas activos convencionales compuestos por unidades autopropulsadas. Las interacciones colectivas entre los hilanderos permitieron la formación de nuevas fases dinámicas, incluidos los líquidos de los hilanderos y las celosías autoorganizadas que apoyaron la difusión activa a través de sólidos, flujos hidrodinámicos autogenerados, junto con el comportamiento de autocuración. El equipo mostró la posibilidad de transportar partículas de carga inertes dentro de celosías giratorias activas autoorganizadas con control y manipulación remotos. Estas aplicaciones de enjambres de hilanderos sincronizados brindarán nuevas oportunidades para diseñar estructuras autoensambladas y transporte sintonizable en materiales activos a microescala.

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