Исследователям из США удалось синхронизировать движение коллоидных магнитных сфер с помощью вращающегося магнитного поля. Как было обнаружено сферы самоорганизуются в трубки микрометрового размера.

Результаты работы могут быть положены в основу нового подхода для дизайна самоорганизующихся структур, который может стать полезным для разработки микроскопических устройств, обеспечивающих контроль течения жидкости или селективного переноса полезной нагрузки.

Хотя трубообразные структуры были и ранее получены из коллоидных систем в результате самоорганизации, такое получение, как правило, происходило в равновесных, а не динамических системах. Концепция синхронизации зачастую оставалась исключительно математической концепцией, и до настоящего времени никто не пытался использовать идею синхронизации для создания новых динамических структур в ходе процессов самоорганизации.

Исследователи из группы Цинь Яна (Jing Yan) из Университетов Иллинойса создали микротрубчатые структуры, подобные тем, которые существуют в клетках, за счет синхронизации колебаний суспендированных в жидкости покрытых никелем частиц из оксида кремния.

Джонатан Ницшке (Jonathan Nitschke), специалист по изучению самоорганизующихся систем из Университета Кембриджа отмечает, что,

по словам авторов, использованный ими тип самоорганизации сильно отличается от того представления о самоорганизации, которого обычно придерживаются химики.

Дело в том, что трубчатые продукты самоорганизации нестабильны, если на систему не оказывается никакого воздействия, и самоорганизация протекает только в переменном магнитном поле. Таким образом,

организация систем в трубы представляет собой динамический процесс, для которого требуется подача энергии и движение.

Исследователи из группы Яна предварительно получили двуликие частицы с помощью осаждения чувствительного к магнитному полю никеля на одну из сторон сферической частицы из оксида кремния – такая обработка приводила к тому, что у частицы появлялись намагниченная и не намагниченная стороны. Затем частицы суспендировали в деионизированной воде и на суспензию действовали прецессирующим магнитным полем. Магнитное поле заставляло частицы вращаться вокруг своей оси, двигаясь, подобно гироскопу.

Было обнаружено, что

при достаточном сближении частиц они влияют на магнитное поле друг друга, что вынуждает их синхронизировать частоту, фазу и амплитуду колебаний, в результате чего происходит самоорганизация в устойчивые трубчатые структуры. Незначительное изменение параметров системы позволило экспериментаторам селективно получить несколько возможных трубчатых структур. Трубообразные структуры разрушаются при потере синхронности.

Ницшке поясняет, что динамические самоорганизующиеся структуры, которые активно рассеивают энергию для сохранения своей структуры, широко известны для живой материи – например, такими системами являются микротубулы в клетке. Однако, такие системы зачастую сложно получить синтетическим путем, поэтому результаты работы Яна можно рассматривать как весьма актуальную и успешную попытку создания подобных систем.