Rolos magnéticos Quincke: Forças e torques de magnetismo que guiam dinâmicas complexas de partículas ativas

Jun 15, 2023

Recurso de 24 de julho de 2023

Este artigo foi revisado de acordo com o processo editorial e as políticas da Science X. Os editores destacaram os seguintes atributos, garantindo a credibilidade do conteúdo:

verificado

publicação revisada por pares

fonte confiável

revisar

por Thamarasee Jeewandara, Phys.org

A rotação de Quincke é definida como a rotação espontânea constante de uma partícula dielétrica imersa em um solvente dielétrico sob um campo elétrico constante e uniforme. Partículas ativas acionadas eletro-hidrodinamicamente baseadas na rotação de Quincke são um sistema modelo significativo para comportamento coletivo emergente em sistemas coloidais sem equilíbrio. Os rolos Quincke são intrinsecamente não magnéticos e, portanto, os campos magnéticos não podem ser usados ​​para regular sua dinâmica complexa.

Em um novo relatório publicado na Science Advances, Ricardo Reyes Garza e uma equipe de pesquisa em física aplicada da Escola de Ciências da Universidade Aalto, na Finlândia, desenvolveram rolos magnéticos Quincke por meio de partículas de sílica dopadas com nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro. Esta natureza magnética permitiu a aplicação de forças e torques externos que podem ser regulados com alta precisão espaço-temporal. As aplicações incluem interações interpartículas ajustáveis ​​com paisagens potenciais e comportamentos avançados programáveis ​​e teleoperados.

Os sistemas de matéria ativa baseiam-se em muitos agentes individuais que absorvem energia do seu ambiente para convertê-la em forças mecânicas e movimento. Recentemente, os pesquisadores têm demonstrado maior atenção aos sistemas ativos artificiais, como partículas Janus, discos polares vibrados e rolos Quincke. Os rolos Quincke são significativos devido à sua rica dinâmica coletiva e a uma variedade de estados emergentes observados com rolos Quincke sólidos não deformáveis ​​e gotículas líquidas deformáveis. Os estados emergentes incluem líquidos polares, vórtices e emulsões ativas de rolos líquidos.

A dinâmica desses estados é rápida e depende do mesmo campo elétrico para influenciar a rotação de Quincke. Forças e torques magnéticos podem ser aplicados para regular com sucesso a dinâmica de materiais macios, desde macromoléculas individuais até partículas sólidas e líquidos a granel. Eles podem ser usados ​​para energizar sistemas na forma de campos magnéticos oscilantes, para orientar ou ativar partículas passivas.

Este trabalho detalhou o desenvolvimento de rolos Quincke amplamente ajustáveis ​​usando forças e torques magnéticos. O sistema continha partículas esféricas de dióxido de silício dopadas com nanopartículas superparamagnéticas de óxido de ferro imersas em meio líquido levemente condutor, contendo n-dodecano com bis (2-etilhexil) sulfosuccinato de sódio.

Os cientistas incubaram a dispersão em uma câmara de baixa umidade para reduzir a carga de partículas e a confinaram em uma geometria quase bidimensional com dois eletrodos de placas paralelas transparentes. As partículas responderam a campos elétricos e magnéticos externos, desenvolvendo dipolos elétricos e magnéticos. O dipolo elétrico tornou-se instável, como visto nos rolos Quincke não magnéticos regulares, onde as partículas começaram a girar Quincke quando a intensidade do campo elétrico aplicado excedeu o campo limite.

Quando Garza e colegas submeteram os rolos a um campo magnético uniforme no plano dentro da célula de Hele-Shaw, os rolos mantiveram um momento magnético e experimentaram um torque originado de interações dipolares com rolos adjacentes e fraca anisotropia magnética dentro das próprias partículas. O torque resultante levou as partículas a alinharem seus eixos ao longo de um campo magnético externo, fixando ao mesmo tempo o eixo de rotação de Quincke.