磁気クインケ ローラー: 活性粒子の複雑な力学を導く磁気の力とトルク

Jun 15, 2023

2023 年 7 月 24 日の特集

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Thamarasee Jeewandara、Phys.org 著

クインケ回転は、定常で均一な電場下で誘電溶媒に浸された誘電粒子の自発的定常回転として定義されます。 クインケ回転に基づいて電気流体力学的に駆動される活性粒子は、非平衡コロイド系における創発的な集団挙動の重要なモデル系です。 Quincke ローラーは本質的に非磁性であるため、磁場を使用してその複雑な力学を調整することはできません。

Science Advances に掲載された新しいレポートの中で、Ricardo Reyes Garza 氏とフィンランドのアアルト大学理学部応用物理学の研究チームは、超常磁性酸化鉄ナノ粒子をドープしたシリカ粒子を使用した磁気クインケ ローラーを開発しました。 この磁気の性質により、高い時空間精度で調整できる外力とトルクの適用が可能になりました。 アプリケーションには、潜在的な景観との調整可能な粒子間の相互作用や、高度なプログラム可能および遠隔操作の動作が含まれます。

活性物質システムは、環境からエネルギーを吸収して機械的な力と動きに変換する多くの個々のエージェントに基づいています。 最近、研究者らは、ヤヌス粒子、振動極円盤、クインケローラーなどの人工活性システムへの注目が高まっていることを示しています。 クインケ ローラーは、その豊富な集団ダイナミクスと、変形しない固体のクインケ ローラーや変形可能な液滴で観察されるさまざまな創発状態により重要です。 創発状態には、極性液体、渦、液体ローラーの活性エマルジョンが含まれます。

これらの状態のダイナミクスは高速で、クインケ回転に影響を与えるのは同じ電場に依存します。 磁力とトルクを適用することで、個々の高分子から固体粒子、バルク液体に至るまでの軟質材料のダイナミクスを適切に制御できます。 これらは、振動磁場の形でシステムにエネルギーを与えたり、受動的粒子を操作または活性化するために使用できます。

この研究では、磁力とトルクを使用して広範囲に調整可能な Quincke ローラーの開発について詳しく説明しました。 このシステムには、n-ドデカンとビス(2-エチルヘキシル)スルホコハク酸ナトリウムを含むわずかに導電性の液体媒体に浸漬された、超常磁性酸化鉄ナノ粒子がドープされた球状二酸化ケイ素粒子が含まれていました。

科学者らは、粒子の帯電を減らすために分散液を低湿度のチャンバー内でインキュベートし、2 つの透明な平行平板電極を備えた準二次元形状に分散液を閉じ込めました。 粒子は、電気双極子と磁気双極子を発達させることによって、外部の電場と磁場に応答しました。 通常の非磁性クインケローラーで見られるように、電気双極子は不安定になり、印加された電界強度が閾値磁界を超えると粒子がクインケ回転し始めます。

Garzaらは、ローラーをヘレ・ショーセル内の均一な面内磁場にさらしたところ、ローラーは磁気モーメントを維持し、隣接するローラーとの双極子相互作用に起因するトルクと、粒子自体内の弱い磁気異方性を経験した。 正味のトルクにより粒子は外部磁場に沿って軸を整列させられ、同時にクインケ回転の軸が固定されました。