Er is zelden tijd om te schrijven over elk goed wetenschappelijk verhaal dat op ons pad komt. Daarom lanceren we dit jaar opnieuw een speciale serie Twelve Days of Christmas-posts, waarin we één wetenschappelijk verhaal uitlichten dat in 2023 door de mazen van het net viel, elke dag van 25 december tot 5 januari. Vandaag: de manier waarop magnetische krachten op individuele “micro-roller”-deeltjes kunnen worden toegepast, stimuleert collectieve beweging, wat nogal contra-intuïtieve resultaten oplevert.
Lehigh Universiteit
We begrijpen intuïtief dat zand dat bijvoorbeeld door een zandloper wordt gegoten, onderaan een nette hoop vormt met een ruwweg piramidevorm, waarin korrels die zich dichtbij het oppervlak bevinden, over een lagere basis van stationaire deeltjes stromen. Lawines en zandduinen vertonen een vergelijkbare dynamiek. Maar wetenschappers van de Lehigh University in Pennsylvania hebben ontdekt dat het toepassen van een magnetisch moment er feitelijk voor kan zorgen dat zandachtige deeltjes bergopwaarts samenvloeien, schijnbaar in weerwil van de zwaartekracht, volgens een artikel uit september gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Zand is vanuit natuurkundig oogpunt een behoorlijk fascinerend iets. Het is een voorbeeld van een korrelig materiaal, omdat het zowel vloeibaar als vast werkt. Droog zand dat in een emmer wordt verzameld, stroomt als een vloeistof, maar kan het gewicht van het daarop geplaatste gesteente dragen als een vast materiaal, ook al is gesteente technisch gezien een grotere dichtheid dan zand. Zand trotseert dus al die mooie vergelijkingen die de verschillende fases van materie beschrijven, en de overgang van vloeibaar ‘vloeibaar’ naar vast ‘vast’ gebeurt vrij snel. Het is alsof de korrels zich gedragen als individuen in vloeibare vorm, maar zich plotseling kunnen verenigen wanneer solidariteit nodig is, waardoor een vreemd soort ‘kracht in aantallen’-effect wordt bereikt.
Zelfs natuurkundigen kunnen een lawine niet nauwkeurig voorspellen. Dit is gedeeltelijk te wijten aan het enorme aantal zandkorrels in zelfs een klein hoopje, die elk tegelijkertijd in wisselwerking staan met een aantal van hun directe buren – en die buren verplaatsen zich van het ene moment op het andere. Zelfs een supercomputer kan de beweging van individuele korrels in de loop van de tijd niet volgen, dus de fysica van stroming in korrelige media blijft een essentieel onderzoeksgebied.
Maar zandkorrels die bergopwaarts samenvloeien? Het is gewoon bizar gedrag. Lehigh University-ingenieur James Gilchrist leidt het Particle Mixing and Self-Organization Laboratory en kwam dit vreemde fenomeen tegen tijdens het experimenteren met “micro-rollers”: polymeerdeeltjes bedekt met ijzeroxide (een proces dat micro-inkapseling wordt genoemd). Op een dag draaide hij een magneet onder een flesje met microrollers en merkte dat ze zich begonnen op te stapelen. Uiteraard moesten hij en zijn collega’s verder onderzoek doen.
Voor hun experimenten hebben Gilchrist et al. bevestigde neodymiummagneten aan een gemotoriseerd wiel met intervallen van 90 graden, afwisselend met de polen naar buiten gericht. Het apparaat bevatte ook een preparaathouder en een USB-microscoop in een vaste positie. Microrollers werden vervaardigd door ze in een glazen flesje met ethanol te hangen en een magneet te gebruiken om ze te scheiden van stof of onbeklede deeltjes. Nadat de microrollers schoon waren, werden ze gedroogd, gesuspendeerd in verse ethanol en op de monsterhouder geplaatst. Een vibrerende motor dreef de monsters aan om afgeplatte korrelige lagen te produceren, en een gemotoriseerd wiel werd aangedreven om het magnetische moment toe te passen. De gaussmeter mat de sterkte van het magnetische veld in relatie tot de oriëntatie.
Bergopwaartse granulaire stroom van microrobotachtige microrollers. Krediet: Lehigh Universiteit.
De resultaten: elke microroller begon te roteren als reactie op het magnetische koppel, waardoor paren ontstonden die zich kortstondig vormden en vervolgens splitsten, en het vergroten van de magnetische kracht verhoogde de cohesie van de deeltjes. Dit gaf de microrollen op zijn beurt meer tractie en zorgde ervoor dat ze sneller konden bewegen, waardoor ze samenwerkten aan de contra-intuïtieve opwaartse stroom. Bij afwezigheid van dat magnetische moment stroomden de mirorollen normaal bergafwaarts. De door koppel veroorzaakte actie was zo onverwacht dat onderzoekers een nieuwe term bedachten om het te beschrijven: “negatieve rusthoek”, veroorzaakt door een negatieve wrijvingscoëfficiënt.
“Tot nu toe zou niemand deze termen hebben gebruikt”, zei Gilchrist. “Ze bestonden niet. Maar om te begrijpen hoe deze korrels bergopwaarts stromen, hebben we de spanningen berekend die ervoor zorgen dat ze in die richting bewegen. Als je een negatieve rusthoek hebt, dan moet je cohesie hebben om een negatieve wrijvingscoëfficiënt te verkrijgen. Deze granulaire stromingsvergelijkingen zijn nooit afgeleid om met deze zaken rekening te houden, maar na het uitvoeren van de berekeningen blijkt er een schijnbare wrijvingscoëfficiënt te zijn die negatief is.”
Het is een intrigerend proof-of-principle dat op een dag zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om te controleren hoe stoffen zich vermengen of scheiden, en tot mogelijke toepassingen van microrobotica. Wetenschappers zijn al begonnen met het bouwen van kleine trappen met lasersnijders en het opnemen van microrollers die op en neer klimmen. Eén microroller kan de hoogte van elke trede niet aan, maar velen die samenwerken kunnen dat wel, aldus Gilchrist.
DOI: Nature Communications, 2023. 10.1038/s41467-023-41327-1 (Over DOI).
Lijstafbeelding met dank aan Lehigh University