Rouleaux Quincke magnétiques : forces et couples du magnétisme qui guident la dynamique complexe des particules actives

Jun 15, 2023

Article du 24 juillet 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

La rotation de Quincke est définie comme la rotation spontanée et constante d'une particule diélectrique immergée dans un solvant diélectrique sous un champ électrique constant et uniforme. Les particules actives entraînées électro-hydrodynamiquement et basées sur la rotation de Quincke constituent un système modèle important pour le comportement collectif émergent dans les systèmes colloïdaux hors équilibre. Les rouleaux Quincke sont intrinsèquement non magnétiques et les champs magnétiques ne peuvent donc pas être utilisés pour réguler leur dynamique complexe.

Dans un nouveau rapport publié dans Science Advances, Ricardo Reyes Garza et une équipe de recherche en physique appliquée de l'École des sciences de l'Université Aalto, en Finlande, ont développé des rouleaux Quincke magnétiques via des particules de silice dopées avec des nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques. Cette nature magnétique a permis l’application de forces et de couples externes qui peuvent être régulés avec une grande précision spatio-temporelle. Les applications incluent des interactions interparticulaires réglables avec des paysages potentiels et des comportements avancés programmables et téléopérés.

Les systèmes de matière active sont basés sur de nombreux agents individuels qui absorbent l’énergie de leur environnement pour la convertir en forces et mouvements mécaniques. Récemment, les chercheurs ont porté une attention accrue aux systèmes actifs artificiels tels que les particules Janus, les disques polaires vibrés et les rouleaux de Quincke. Les rouleaux Quincke sont importants en raison de leur dynamique collective riche et de la gamme d'états émergents observés avec les rouleaux Quincke solides indéformables et les gouttelettes de liquide déformables. Les états émergents comprennent les liquides polaires, les vortex et les émulsions actives de rouleaux liquides.

La dynamique de ces états est rapide et dépend du même champ électrique pour influencer la rotation de Quincke. Les forces et couples magnétiques peuvent être appliqués pour réguler avec succès la dynamique des matériaux mous, allant des macromolécules individuelles aux particules solides et aux liquides en vrac. Ils peuvent être utilisés pour alimenter des systèmes sous forme de champs magnétiques oscillants, pour diriger ou activer des particules passives.

Ce travail a détaillé le développement de rouleaux Quincke largement réglables en utilisant des forces et des couples magnétiques. Le système contenait des particules sphériques de dioxyde de silicium dopées avec des nanoparticules d'oxyde de fer superparamagnétiques immergées dans un milieu liquide légèrement conducteur, contenant du n-dodécane avec du bis (2-éthylhexyl) sulfosuccinate de sodium.

Les scientifiques ont incubé la dispersion dans une chambre à faible humidité pour réduire la charge des particules et l'ont confinée dans une géométrie quasi bidimensionnelle avec deux électrodes à plaques parallèles transparentes. Les particules réagissaient aux champs électriques et magnétiques externes en développant des dipôles électriques et magnétiques. Le dipôle électrique est devenu instable, comme on le voit avec les rouleaux Quincke non magnétiques ordinaires, où les particules ont commencé à tourner lorsque l'intensité du champ électrique appliqué dépassait le champ seuil.

Lorsque Garza et ses collègues ont soumis les rouleaux à un champ magnétique uniforme dans le plan au sein de la cellule Hele-Shaw, les rouleaux ont maintenu un moment magnétique et ont subi un couple provenant d'interactions dipolaires avec les rouleaux adjacents et d'une faible anisotropie magnétique au sein des particules elles-mêmes. Le couple net a poussé les particules à aligner leurs axes le long d’un champ magnétique externe, fixant en même temps l’axe de rotation de Quincke.