자기 Quincke 롤러: 활성 입자의 복잡한 역학을 안내하는 자력과 토크

Jun 15, 2023

2023년 7월 24일 특집

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작성자: Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Quincke 회전은 일정하고 균일한 전기장 하에서 유전체 용매에 담긴 유전체 입자의 자발적인 정상 회전으로 정의됩니다. Quincke 회전을 기반으로 하는 전기 유체역학적으로 구동되는 활성 입자는 비평형 콜로이드 시스템에서 나타나는 집단적 행동에 대한 중요한 모델 시스템입니다. Quincke 롤러는 본질적으로 비자성이므로 자기장을 사용하여 복잡한 역학을 조절할 수 없습니다.

Science Advances에 발표된 새로운 보고서에서 Ricardo Reyes Garza와 핀란드 Aalto University School of Science 응용물리학 연구팀은 초상자성 산화철 나노입자가 도핑된 실리카 입자를 통해 자성 Quincke 롤러를 개발했습니다. 이러한 자기적 특성으로 인해 높은 시공간 정밀도로 조절될 수 있는 외부 힘과 토크를 적용할 수 있었습니다. 응용 프로그램에는 잠재적인 풍경과의 조정 가능한 입자 간 상호 작용, 고급 프로그래밍 가능 및 원격 조작 동작이 포함됩니다.

활성 물질 시스템은 주변 환경에서 에너지를 흡수하여 이를 기계적 힘과 운동으로 변환하는 많은 개별 에이전트를 기반으로 합니다. 최근 연구자들은 야누스 입자, 진동 극 디스크 및 Quincke 롤러와 같은 인공 활성 시스템에 대한 관심이 높아졌습니다. Quincke 롤러는 풍부하고 집단적인 역학과 변형 불가능한 견고한 Quincke 롤러 및 변형 가능한 액체 방울에서 관찰되는 다양한 출현 상태로 인해 중요합니다. 출현 상태에는 극성 액체, 소용돌이 및 액체 롤러의 활성 유제가 포함됩니다.

이러한 상태의 역학은 빠르며 동일한 전기장에 의존하여 Quincke 회전에 영향을 미칩니다. 자기력과 토크를 적용하여 개별 거대분자부터 고체 입자, 대량 액체에 이르기까지 연질 재료의 역학을 성공적으로 조절할 수 있습니다. 진동 자기장의 형태로 시스템에 에너지를 공급하고 수동 입자를 조종하거나 활성화하는 데 사용할 수 있습니다.

이 연구에서는 자기력과 토크를 사용하여 광범위하게 조정 가능한 Quincke 롤러의 개발을 자세히 설명했습니다. 이 시스템은 나트륨 비스(2-에틸헥실) 설포석시네이트와 n-도데칸을 함유한 약간 전도성 액체 매질에 담긴 초상자성 산화철 나노입자로 도핑된 구형 이산화규소 입자를 포함했습니다.

과학자들은 입자 전하를 줄이기 위해 저습도 챔버에서 분산액을 배양하고 두 개의 투명한 평행판 전극을 사용하여 준2차원 형상으로 가두었습니다. 입자는 전기 및 자기 쌍극자를 발생시켜 외부 전기장 및 자기장에 반응했습니다. 일반 비자성 Quincke 롤러에서 볼 수 있듯이 전기 쌍극자는 불안정해졌습니다. 여기서 적용된 전기장 강도가 임계값 필드를 초과하면 입자가 Quincke 회전하기 시작했습니다.

Garza와 동료들이 롤러를 Hele-Shaw 셀 내의 균일한 평면 내 자기장에 가했을 때 롤러는 자기 모멘트를 유지하고 인접한 롤러와의 쌍극 상호 작용과 입자 자체 내의 약한 자기 이방성에서 발생하는 토크를 경험했습니다. 순 토크는 입자를 구동하여 외부 자기장을 따라 축을 정렬하는 동시에 Quincke 회전 축을 고정합니다.