同步织轴材料的可重构结构和可调传输

时间:2020-04-06 18:42 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

同步织轴材料的可重构结构和可调传输

驱动胶体是研究新一代材料出现的不平衡结构、复杂的集体动力学和设计规则的优秀模型系统。在一份新的报告中,Koohe Han和他的研究小组将铁磁微粒悬浮在空气-水界面上,并利用外部旋转磁场对其施加能量,形成同步纺丝器的动态集合体。每个纺纱机产生强大的流体动力学流动,多个纺纱机之间的集体相互作用,以促进动态晶格的形成。通过实验和模拟,他们揭示了从液态到近晶态的结构转变,证明了动态旋转晶格的可重构性。材料表现出自愈特性,通过外部激励参数的调节,输送嵌入的惰性粒子。这些发现现在发表在《科学进展》杂志上,为研究具有可重构结构顺序和可调功能的主动旋转材料的行为提供了见解。

不平衡粒子由于具有自组织的潜力,可以为下一代可重构材料分配设计规则。科学家可以控制励磁场参数,这些参数是基于来自电场或磁场的外部能量流入,从而改变被驱动粒子在调节过程中的动态和集体响应。这些现场驱动的主动系统是很有前途的候选应用于水净化和靶向药物递送,通过调整其传输性能的需求。最近的研究集中在自推进粒子,从动态链接和群集到群集和主动湍流。探索胶体粒子的动态自组装可以提供一个强大的技术,以产生大量的微观纺丝器。这些旋量器并不容易构成动态装配的构件,因为它们会向任意方向旋转并解体。

为了更好地控制和调节活性纺纱机材料,该团队开发了一种同步共转自组装纺纱机系统,该系统通过自诱导流体动力流动,稳定且有效地耦合。在这项工作中,Han等人报道了悬浮在空气-水界面的铁磁镍(Ni)颗粒在平面内旋转磁场激励下动态形成大量同步自组装的自旋器。自组装的纺丝器产生强大的流体动力流动,形成一组共同的动态相。Han等人将实验和模拟相结合来研究这些活性纺纱机材料的结构和输运性能,这些发现将为在微观尺度上研究用于粒子输运和操纵的合成活性纺纱机材料的性能提供深入的了解。

同步织轴材料的可重构结构和可调传输

该团队应用了一个垂直于空气-水界面的静态磁场,使悬浮的铁磁镍颗粒能够动态自组装纺丝器。他们使用一个外部旋转磁场作用在界面的平面上给系统通电。纺丝器的自组装是完全可逆的,通过外场参数控制,将磁场驱动的多粒子纺丝器组装成近似格子状的结构。实验和模拟中描述的磁旋流器与先前设计的旋转圆盘在两个重要方面有所不同。具体地说,(1)粒子之间的磁性吸引力足够强,可以克服斥力和形成链,(2)旋转器的高各向异性允许流场随时间周期性地变化。

Han等人注意到同步自组装纺丝器的大型集合体表现出动态自组织,并计算了六边形键向排列顺序来量化纺丝器的局部排列顺序。纺丝网格六角形键序参数的平均值随纺丝密度的增大而明显地由液相向结晶相转变。在低密度时,纺纱机保持着类似液体的行为——随着密度的增加,它们在形成自组织纺纱机晶格的运动中受到更多的限制。

同步织轴材料的可重构结构和可调传输

模拟同样捕捉到了低密度下纺丝器的液体状顺序,尽管它们向固体的转变没有实验中那么明显。为了进一步详细研究和表征动态纺纱机晶格的结构顺序,研究小组分析了纺纱机在整体中的相对位置,并观察到纺纱机在高密度时自组织成具有明确频率依赖的纺纱机间距的晶格。同步纺丝晶格在强涡流流场的作用下形成了一类新的活性晶体。自组织的自旋晶格保留了自愈能力,Han等人通过一个大的玻璃珠通过自旋晶格的界面,故意破坏自旋晶格——当玻璃珠通过界面后,受影响的点在几秒钟内自修复。

同步织轴材料的可重构结构和可调传输

强自诱导的底层流体动力学流动表明,同步纺丝点阵可能有效地运输被动货物颗粒。为了描述这一点,科学家们通过跟踪无源非磁性粒子的均方位移(MSD)来确定其在动态旋转晶格中的扩散系数。他们把粒子输运称为主动扩散,因为其结果比被动热布朗运动的结果大几个数量级。他们根据外场频率有效地调整了主动扩散系数。该系统的行为有助于改变纺丝器-纺丝器在格子内的距离,形成一个被动的货运珠的笼效应,并阻止它从细胞的出口。与实验结果相似,仿真结果显示了大、小示踪粒子的运动和扩散增强,但是Han等人在仿真过程中并没有观察到扩散系数与实验的频率依赖关系。因此,科学家们建议使用三维(3-D)模拟来澄清观测到的差异的来源。

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用这种方法,Koohe Han和他的同事报告了一种由自组装的同步纺丝器组成的新型活性材料的结构和输运特性的结果。他们将铁磁性微粒悬浮在空气-水界面上,通过施加在空气-水界面上的旋转磁场,将其动态自组装成多个旋流器。该系统的活性源于旋转运动的纺纱,不同于传统的主动系统组成的自推进单位。纺丝器之间的集体相互作用使得新的动态相的形成成为可能,包括纺丝器液体和自组织晶格,这些自组织晶格通过健壮的、自产生的流体动力学流动来支持主动扩散,以及自愈合行为。该团队展示了利用远程控制和操作在自组织的主动旋转网格中传输惰性粒子的可能性。同步纺锤群的这些应用将为在微尺度上设计自组装结构和活性材料的可调输运提供新的机会。

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