作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 模拟由同步旋转器在水面上引起的速度、流线和涡流场，如在实验中获得的
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz8535 驱动胶体是研究新兴非平衡结构、复杂集体动力学和下一代材料设计规则的优秀模型系统
在一份新的报告中，库赫·汉和一个研究小组将铁磁性微粒悬浮在空气-水界面上，并通过外部旋转磁场给它们通电，形成同步旋转器的动态集合体
每个旋转器产生强大的流体动力流，多个旋转器之间共同相互作用，以促进动态晶格形成
通过实验和模拟，他们揭示了从液态到近晶态的结构转变，展示了动态旋转晶格的可重构性
该材料表现出自愈合行为，并运输嵌入的惰性货物颗粒，由外部激励参数调节
这些发现现已发表在《科学进展》杂志上，并为具有可重构结构顺序和可调功能的活性旋转材料的行为提供了见解
由于具有自组织的潜力，失衡粒子可以为下一代可重构材料分配设计规则
科学家可以控制基于来自电场或磁场的外部能量流入的激发场参数，以在调节过程中改变受激励粒子的动态和集体响应
这些场驱动的活性系统通过根据需要调节其传输特性，在水净化和靶向药物输送中具有应用前景
最近的研究集中在自推进粒子，从动态链接和集群到群集和主动湍流
探索胶体粒子的动态自组装可以提供一种强大的技术来产生大量的微观旋转体
这些旋转器不是动态装配的简单构件，因为它们在随机方向上旋转并分解
为了更好地控制和调节活性旋转器材料，该团队开发了一个同步同向旋转自组装旋转器系统，该系统通过自诱导流体动力流稳定有效地耦合
在这部作品中，韩等人
报道了由悬浮在空气-水界面上的铁磁性镍(Ni)颗粒组成的同步自组装纺丝器群的动态形成，并由面内旋转磁场激励
自组装的喷丝头产生强大的流体动力流，导致一组集体的动态阶段
韩等
结合实验和模拟来研究这些活性旋转材料的结构和传输特性，这些发现将提供对合成活性旋转材料在微尺度上的粒子传输和操纵特性的深入了解
多粒子旋转器的磁场驱动组件
(一)静态磁场下镍粒子沿z方向的分散状态示意图
(二)在xy平面上施加的旋转磁场影响下的旋转器组件(底部快照为代表性实验图像)
(C)在ρ = 0时，作为场频率函数的旋转器尺寸
006 σ−2
链长LS由粒径σ (90微米)归一化
实线是计算出的理论曲线
插图:喷丝板的雷诺数，Re，作为fH的函数
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aaz8535 研究小组应用了一个垂直于空气-水界面的静态磁场，使悬浮的铁磁性镍颗粒可以动态地自我组装成旋转器
他们利用界面面内施加的外部旋转磁场给系统通电
旋转器的自组装是完全可逆的，并且通过外部场的参数来控制，以将磁场驱动的多粒子旋转器组装成接近晶格状的结构
实验和模拟中描述的磁性旋转器在两个重要方面不同于以前设计的旋转盘
具体来说，(1)粒子之间的磁引力足够强，足以克服排斥并形成链，(2)旋转器的高各向异性允许流场随时间周期性变化
韩等
注意到同步自组装纺丝器的大集合表现出动态自组织，并计算六边形键取向顺序以量化纺丝器的局部排序
旋转晶格六方键序参数平均值的变化揭示了随着旋转密度的增加，从液相到晶相的明显转变
在低密度下，旋转器保持类似液体的行为——随着密度的增加，它们的运动变得更加受限，形成自组织的旋转器晶格
实验获得的自旋晶格的局部有序性
(一)在频率为45赫兹、ρ = 0时，由旋转器形成的动态晶格
0164 σ−2
Voronoi图与观察到的网格重叠
由于曝光时间长，可以精确识别所有旋转器的旋转轴，因此旋转器变得模糊不清
比例尺，1毫米
(b)在fH = 45 Hz时自旋晶格中六方键取向序参数∣ψ6∣的概率分布作为ρ的函数
(C)旋转晶格的平均值ψ6说明了具有旋转密度ρ的从液晶到晶体的动态相变
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1126/sciadv
aaz8535 模拟同样捕捉到了低密度下类似液体的纺丝顺序，尽管它们向固体的转变与实验相比并不明显
为了进一步详细研究和表征动态旋转器晶格的结构顺序，研究小组分析了旋转器在系综中的相对位置，并观察到旋转器在高密度下自组织成具有明确定义的d频率相关旋转器间距的晶格
同步旋转器的晶格形成了一类新的活性晶体，并伴有强烈的旋涡流场
自组织自旋晶格保留了自愈能力，韩等
这是通过故意用穿过界面的大玻璃珠破坏旋转晶格来显示的——一旦玻璃珠穿过界面，受影响的点会在几秒钟内自我修复
主动旋转晶格中的自愈行为
(一至四)演示自愈过程的旋转晶格快照:(一)频率为90赫兹、ρ = 0的旋转晶格
0112σ2，(B)晶格被3毫米珠子断裂的时刻，(C)晶格被珠子局部断裂，以及(D)自发自修复晶格
比例尺，5毫米
(5)自旋晶格断裂区平均键取向序参数ψ6的时间演化
学分:科学进步，doi: 10
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aaz8535 强烈的自感潜在流体动力流表明，同步旋转器网格能够有效地运输被动货物颗粒
为了表征这一点，科学家们通过跟踪其均方位移(MSD)来确定放置在动态旋转晶格中的无源非磁性粒子的扩散系数
他们称粒子传输为主动扩散——因为其结果比被动热布朗运动的结果大几个数量级
他们根据外场频率有效地调整了主动扩散系数
该系统的行为有助于改变栅格内的旋转器-旋转器距离，以形成对被动货物珠的限制效应，并防止其从单元中退出
与实验非常相似，模拟显示了大小示踪粒子的增强运动和扩散，然而，韩等人
与实验相比，在模拟过程中没有观察到扩散系数的频率依赖性
因此，科学家们建议使用三维模拟来澄清观察到的差异的来源
在实验中获得的由旋转晶格促进的500微米玻璃珠的主动传输
学分:科学进步，doi: 10
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aaz8535 以这种方式，韩和他的同事报告了一种新的活性物质的结构和运输性能的结果，这种活性物质由自组装的同步旋转器组成
他们将铁磁性微粒悬浮在空气-水界面上，通过在界面上施加旋转磁场，动态自组装成多个旋转器
该系统的活动源于旋转器的旋转运动，不同于由自动推进装置组成的传统主动系统
旋转体之间的集体相互作用允许形成新的动态相，包括旋转体液体和自组织晶格，它们通过强健的、自生成的流体动力学流动以及自修复行为支持主动扩散
该团队展示了在具有远程控制和操作的自组织主动旋转格子内运输惰性货物颗粒的可能性
同步旋转群的这些应用将为设计自组装结构和微尺度活性材料的可调输运提供新的机会
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