Zichzelf voortstuwende nanodeeltjes duwen grotere objecten bijeen


Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Ans Hekkenberg
Weblocatie: http://www.fom.nl/live/nieuws/archief_persberichten/persberichten2015/artikel.pag?objectnumber=283204
printerversie
9 januari 2015

Zichzelf voortstuwende nanodeeltjes duwen grotere objecten bijeen

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, waar onder anderen een postdoc met een Veni-subsidie van NWO bij was betrokken, is op 7 januari gepubliceerd in Physical
Review Letters.
Figuur 1. Actieve systemen
vergroten Figuur 1. Actieve systemen
Voorbeelden van actieve systemen in de natuur: vogels (credit Walter Baxter), vissen (credit Gordon Firestein) en bacterien (credit Juergen Berger en Gregory Velicer).
Figuur 2. Nanodeeltjes
vergroten Figuur 2. Nanodeeltjes
Actieve nanodeeltjes (blauw) die zichzelf voortstuwen in een bepaalde willekeurige richting (aangegeven door de rode pijlen). Doordat de deeltjes hun richting maar langzaam vergeten, hopen ze zich op rondom en binnen twee grotere rechthoekige objecten. Deze ophoping veroorzaakt een afstotende
kracht tussen de twee objecten waardoor deze uiteen drijven. Bij lage dichtheid wordt de kracht juist attractief. Dit is een zogenaamde effectieve attractie die ontstaat als binnen de platen de deeltjesconcentratie lager is dan erbuiten. De platen worden dan op elkaar geduwd.
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 aan bacterien.

Geinspireerd 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 krachten van afstotend in aantrekkend te veranderen, eenvoudigweg 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 microfluidics,
waar de systemen quasi tweedimensionaal zijn.

Referentie
Ran Ni, Martien A. Cohen Stuart en Peter G. Bolhuis: Tunable Long Range Forces Mediated by Self-Propelled Colloidal Hard Spheres Phys. Rev. Lett. 114, 018302 -7 January 2015. DOI: 10.1103/PhysRevLett.114.018302.