Density Accelerated Relaxation in Active Passive Colloidal Networks with Competing Interactions

In der mikroskopischen Welt der Fluide verhalten sich winzige feste Partikel oft wie eine überfüllte Tanzfläche, auf der jeder versucht, seinen eigenen Platz zu finden. Wenn diese Partikel passiv sind, das heißt, sie driften einfach mit der Strömung der Flüssigkeit mit, können sie sich manchmal zusammenschließen, um riesige, verhedderte Netze, sogenannte Gele, zu bilden. Diese Gele bilden das Rückgrat vieler Alltagsmaterialien, von der Textur von Lebensmitteln bis hin zur Stabilität von Medikamenten. Einmal gebildet, werden diese Netzwerke jedoch meist starr und erstarren an Ort und Stelle, wodurch sie ihre Struktur in der Zeit einfrieren und schwer zu verändern sind, ohne sie aufzubrechen. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem Weg, diese Netzwerke lebendig und anpassungsfähig zu halten, in der Hoffnung, Energie auf Partikelebene einzuspeisen, um sie in Bewegung zu halten und umzugestalten. Die Herausforderung bestand darin, dass die Energiezufuhr die Partikel oft dazu bringt, sich zu Klumpen zusammenzuschließen, anstatt die zusammenhängenden, den Raum durchspannenden Netzwerke zu bilden, die so nützlich sind. Die Frage blieb: Könnte eine Mischung aus beweglichen und stationären Partikeln dazu gebracht werden, ein stabiles, aber dennoch dynamisches Netzwerk zu bilden, das gesteuert und kontrolliert werden kann?

Forscher der University of Massachusetts Amherst haben einen Weg gefunden, genau das zu tun, indem sie eine einzigartige Mischung aus zwei Arten mikroskopischer Kugeln erschufen: solche, die sich von selbst bewegen, und solche, die stillstehen. Sie platzierten diese Partikel zwischen zwei Glasplatten und wandten ein schnell wechselndes elektrisches Feld an. Dieses Feld wirkt wie eine Fernbedienung, die die Partikel in winzige Magnete verwandelt. Der Schlüssel zu ihrem Erfolg liegt darin, wie diese künstlichen Magnete miteinander interagieren. Die beweglichen Partikel, die auf einer Seite mit einem speziellen Material beschichtet sind, werden von den stationären angezogen, stoßen aber andere bewegliche Partikel ab. Die stationären Partikel wiederum stoßen einander ab. Dies erzeugt ein empfindliches Gleichgewicht, bei dem die beweglichen Partikel als Verbindungsstücke fungieren, die die stationären miteinander verknüpfen, während die Abstoßung verhindert, dass die gesamte Gruppe zu einem einzigen, dichten Klumpen kollabiert. Das Ergebnis ist ein weitläufiges, vernetztes Netzwerk, das seine Form hält, aber dennoch flüssig genug bleibt, um sich neu zu ordnen.

Was das Team als Nächstes entdeckte, war eine Überraschung, die den üblichen Regeln überfüllter Partikelsysteme trotzt. In den meisten dichten Materialien macht das Hinzufügen von mehr Partikeln die Struktur langsamer und starrer, wie ein Verkehrsstau, der schlimmer wird, je mehr Autos auf die Straße kommen. In diesem speziellen Netzwerk geschah jedoch das Gegenteil. Als die Forscher die Gesamtzahl der Partikel in der Mischung erhöhten, wurde das Netzwerk nicht langsamer; es wurde schneller. Die Zeit, die die Struktur benötigte, um sich zu entspannen und neu zu ordnen, verringerte sich tatsächlich mit zunehmender Dichte. Dieses kontraintuitive Verhalten deutet darauf darauf hin, dass das Netzwerk nicht nur ein statisches Geflecht ist, das die Partikel an Ort und Stelle hält, sondern ein dynamisches System, in dem der Akt des Zusammendrängens der Partikel selbst einen Mechanismus auslöst, der sie in Bewegung hält.

Um zu verstehen, warum dies geschieht, untersuchten die Wissenschaftler die mikroskopische Anordnung der Partikel ganz genau. Sie fanden heraus, dass die Mischung dichter wurde, die beweglichen Partikel gezwungen wurden, näher zusammenzurücken, getrennt nur durch die stationären Partikel. Da die beweglichen Partikel einander abstoßen, erzeugte dieses Gedränge eine Art strukturelle Spannung oder Frustration innerhalb des Netzwerks. Die beweglichen Partikel, die ständig versuchen, sich von ihren Nachbarn wegzudrängen, begannen schneller zu rotieren und sich neu auszurichten, um diesen Druck abzubauen. Dieses ständige Drehen ermöglichte es ihnen, aus ihren vorübergehenden Käfigen auszubrechen und gegen das Netzwerk zu drücken, was die gesamte Struktur schneller verschieben und fließen ließ. Je gedrängter das System wurde, desto intensiver wurde dieser interne Druck und desto schneller ordnete sich das Netzwerk neu.

Die Studie bestätigt, dass es durch die sorgfältige Abstimmung der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Arten von Partikeln und der ihnen zugeführten Energie möglich ist, Materialien zu schaffen, die sowohl stabil als als auch hochgradig reaktionsfähig sind. Die Forscher zeigten, dass das Netzwerk einen perkolierten Zustand bildet, was bedeutet, dass es den gesamten Raum durchspannt, und dass dieser Zustand durch die spezifische Anziehung zwischen den beweglichen und stationären Partikeln aufrechterhalten wird. Sie schlossen die Idee aus, dass dieses Verhalten lediglich das Ergebnis einer zufälligen Clusterbildung der Partikel sei, und demonstrierten stattdessen, dass das spezifische Muster von Anziehung und Abstoßung entscheidend für die Bildung des Netzwerks und das Auftreten der Beschleunigung ist. Durch die Kartierung der genauen Art und Weise, wie das Verhältnis von beweglichen zu stationären Partikeln und die Gesamtdichte das System beeinflussen, identifizierten sie ein spezifisches Regime, in dem diese aktiven Netzwerke gedeihen.

Diese Arbeit bietet eine neue Art, das Design weicher Materialien zu denken. Anstatt zu akzeptieren, dass dichte Gele langsam und unveränderlich sein müssen, zeigt sie, dass Aktivität und Interaktion kombiniert werden können, um Strukturen zu schaffen, die dynamischer werden, je gedrängter sie sind. Die Erkenntnisse bieten einen klaren Weg für die Entwicklung von Materialien, die ihre mechanischen Eigenschaften auf Abruf anpassen können, was potenziell zu neuen Arten von selbstheilenden Substanzen oder reaktionsfähigen Beschichtungen führen kann. Die Forscher haben demonstriert, dass das Geheimnis eines schnell beweglichen, dichten Netzwerks nicht darin liegt, die Überfüllung zu vermeiden, sondern darin, die durch die Überfüllung erzeugte Spannung zu nutzen, um eine kontinuierliche, kontrollierte Bewegung anzutreiben.