Zichzelf voortstuwende nanodeeltjes duwen grotere objecten bijeen
Computersimulatie toont opmerkelijk collectief effect van actieve colloïodale nanodeeltjes
Onderzoekers van de universiteiten van Amsterdam en Wageningen voorspellen een nieuwe effectieve kracht in actieve nanomaterialen. Via computersimulatie namen ze waar dat kriskras door elkaar bewegende, zichzelf voortstuwende nanodeeltjes in staat zijn veel grotere, microscopische objecten te bewegen. Ze speculeren dat de actieve nanodeeltjes op een 'natuurlijke' manier nieuwe hightech materialen met zeer complexe structuren kunnen realiseren. Hun onderzoek is op 7 januari gepubliceerd door het tijdschrift Physical Review Letters.
Het is altijd een fascinerend gezicht: zwermen spreeuwen of scholen vissen die als door een onzichtbare hand gestuurd bewegen. Het zijn voorbeelden van 'actieve systemen' waarvan het gedrag wordt bepaald door de collectieve inzet van kleine bewegende onderdelen. Je vindt ze overal; van spreeuwen en vissen tot bacteriën.
Geïnspireerd door de natuur hebben wetenschappers actieve materialen ontwikkeld, bestaand uit kleine nanodeeltjes in oplossing die zichzelf voorstuwen via bijvoorbeeld een chemische reactie aan hun oppervlak. Zulke actieve systemen kunnen onverwacht gedrag vertonen dat niet waarneembaar is in overeenkomstige dispersies van passieve deeltjes.
Simulatie
Onderzoekers van het Amsterdam Center for Multiscale Modeling in het Van 't Hoff Institute for Molecular Sciences hebben nu in samenwerking met het laboratorium voor Physical Chemistry and Colloid Science van Wageningen Universiteit het effect verkend van actieve nanodeeltjes op grotere (maar nog steeds microscopische) passieve objecten. Via computersimulaties ontdekten ze dat het collectieve gedrag van de deeltjes (gesimuleerd als dichte, harde bollen) tot enorm grote krachten tussen de passieve objecten kan leiden.
Verrassend genoeg blijken deze krachten een veel verdere reikwijdte te hebben dan te verwachten is op basis van de grootte van de actieve deeltjes. Bovendien is het mogelijk de krachten te veranderen van afstotend in aantrekkend, eenvoudig door de concentratie van de actieve deeltjes aan te passen.
Geheugeneffect
De onderzoekers verklaren hun nieuwe vinding via een 'geheugeneffect' bij de actieve nanodeeltjes. Vanwege een soort 'traagheid' kost het enige tijd voordat die hun bewegingsrichting 'vergeten'. In de interactie met grotere deeltjes leidt dat tot collectieve effecten die in de sterke krachten resulteren.
De onderzoekers speculeren dat actieve deeltjes zo benut kunnen worden voor de vorming van nieuwe hightech materialen met zeer complexe structuren die - net als in de natuur - min of meer spontaan via zelfassemblage ontstaan. De eerste gedachten gaan uit naar het gebied van de micro-fluidics, waar de systemen quasi tweedimensionaal zijn.
Publicatie
Ran Ni, Martien A. Cohen Stuart, and Peter G. Bolhuis: Tunable Long Range Forces Mediated by Self-Propelled Colloidal Hard Spheres Phys. Rev. Lett. 114, 018302 – Published 7 January 2015 DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.018302