Los surfistas de Marangoni son pequeñas partículas que se autopropulsan mientras se colocan a ambos lados de una interfaz fluido-fluido de una manera similar a la que un surfista se mueve sobre la superficie de una ola. En años recientes, Las partículas autopropulsadas se han convertido en el foco de numerosos estudios de física, ya que podrían servir como modelo para estudiar el movimiento de objetos brownianos activos con una amplia gama de velocidades e interacciones.

Investigadores de ETH Zürich, La Universidad Heinrich-Heine en Düsseldorf y el University College London (UCL) han realizado recientemente surfistas Marangoni micrométricos activos aplicando luz láser a coloides Janus absorbidos en interfaces agua-aceite. Su papel publicado en Cartas de revisión física , se basa en varios estudios previos que exploran el uso de la luz para controlar el movimiento de los micro nadadores.

"Este trabajo surgió a través de un esfuerzo continuo para realizar micro nadadores que sean más eficientes y que puedan controlarse fácilmente, "Lucio Isa y Nick Jaensson, dos de los investigadores que realizaron el estudio, dijo Phys.org. "Nuestros resultados se basan en un cuerpo de trabajo existente que se ocupa del control del movimiento de los micro nadadores utilizando luz y con las propiedades de los micro nadadores confinados en interfaces fluidas, que incluye algunos de nuestros trabajos anteriores ".

En uno de sus estudios anteriores, Isa y sus colegas descubrieron que el confinamiento de las partículas de Janus en las interfaces aceite-agua permitía que estas partículas se autopropulsaran a través de gradientes químicos autogenerados que desencadenaban reacciones catalíticas. Este efecto se parece mucho al que se observa a menudo en las partículas dentro de las suspensiones a granel.

Además, los investigadores observaron que estas partículas podrían interactuar muy fuertemente entre sí debido a las fuerzas electrostáticas repulsivas que caracterizan a los objetos atrapados en interfaces. Si bien esta observación abrió nuevas y emocionantes posibilidades para el estudio de partículas activas que interactúan fuertemente, Se sabe que los nadadores catalíticos son particularmente difíciles de controlar utilizando factores externos. Esto se debe a que su propulsión depende de la concentración de combustible químico, que es difícil de regular dinámicamente.

"La solución a este problema vino al acoplar la generación de gradientes de temperatura asimétricos por partículas de Janus que absorben la luz y la conocida idea de que en las interfaces de fluidos, los que generan gradientes de tensión superficial y, correspondientemente, Flujos de Marangoni que podrían aprovecharse para impulsar las partículas a través de una iluminación controlada espacial y temporalmente, "Dijeron Isa y Jaensson.

Los surfistas de Marangoni son partículas autopropulsadas, lo que significa que pueden convertir fuentes externas de energía (por ejemplo, luz) en movimiento dirigido creando y manteniendo una asimetría en las propiedades de su entorno circundante (por ejemplo, perfiles de temperatura), generando a su vez perfiles de tensión superficial. El nombre Marangoni está asociado con el origen de esta cualidad autopropulsada, que está mediado por gradientes de tensión superficial y sus correspondientes flujos de fluidos. La manifestación de estos fluidos fluye, que se puede observar en varios fenómenos físicos (por ejemplo, lágrimas de vino y propulsión de botes de alcanfor), se conoce como efecto Marangoni.

"Los surfistas de Marangoni son importantes en física porque constituyen un nuevo sistema modelo para estudiar el movimiento activo de objetos autopropulsados ​​a microescala con un enorme rango dinámico de velocidades (hasta 10, 000 longitudes corporales por segundo) e interacciones ajustables, "Isa y Jaensson dijeron." Estos últimos están mediados por la interfaz fluida, lo que también los confina en un plano bidimensional sin la presencia de límites sólidos. Estudiar experimentalmente el movimiento colectivo de partículas activas en ausencia de agregación ha sido un desafío para la comunidad y allanará el camino para estudiar materiales bidimensionales como cristales y vidrios hechos exclusivamente de componentes activos ".

Para realizar surfistas Marangoni a microescala, Es un, Jaensson y sus colegas utilizaron un método simple que implica recubrir una monocapa de partículas (es decir, capa de partículas muy compactas) utilizando una película de oro mediante una técnica conocida como recubrimiento por pulverización catódica. Después, confinaron las partículas en una interfase aceite-agua depositando una gota de una suspensión acuosa usando una micro jeringa.

Finalmente, los investigadores iluminaron las partículas con un láser verde. La luz de este láser fue absorbida por las tapas de oro de la partícula, generando un perfil de temperatura asimétrico.

"El perfil asimétrico de temperatura generado por la adsorción de la capa de oro genera un gradiente de tensión superficial que impulsa las partículas a través de los flujos de Marangoni, "Isa y Jaensson dijeron." En presencia de especies tensioactivas, es decir., tensioactivos, el movimiento de las partículas también está acoplado a un gradiente de concentración, lo que genera un segundo perfil de tensión superficial. El equilibrio entre los dos regula la propulsión ".

Es un, Jaensson y sus colegas se encuentran entre los primeros investigadores en demostrar partículas activas con un rango extremadamente amplio de posibles velocidades de propulsión aprovechando los flujos de Marangoni a microescala. Es más, las velocidades de propulsión de las partículas que crearon pueden regularse fácilmente simplemente controlando la concentración de tensioactivo y la iluminación.

"Las partículas que demostramos constituyen un nuevo sistema modelo que podría usarse para investigar las propiedades de una nueva clase de materiales activos, "Isa y Jaensson dijeron." Ahora planeamos ampliar nuestros estudios, donde nos hemos centrado esencialmente en caracterizar el comportamiento de propulsión de una sola partícula y en dilucidar sus orígenes microscópicos, al caso del control simultáneo de montajes de surfistas Marangoni hacia la realización de materiales activos bidimensionales ”.

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