Выступая на конференции в Норвегии, Розинек, исследователь из Университета Адама Мицкевича в Познани, Польша, продемонстрировал нечто, похожее на магию. Когда он воткнул игольчатый электрод в смесь сферических металлических частиц микронного размера, диспергированных в силиконовом масле, к его концу прилипла сфера. Когда Розинек вытаскивал электрод из дисперсии, к первой сфере присоединялась еще одна сфера, затем еще одна — ко второй и так далее, пока не образовалась длинная цепочка.
«Сферы вели себя как магнитные шарики, за исключением того, что в них не было никакого магнетизма», — сказал Луйтен, профессор материаловедения и инженерии, а также инженерной и прикладной математики инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета. «Частицы не имеют тенденции к скоплению. Я понял, что происходит нечто более сложное».Розинек вместе со своими сотрудниками Филипом Дуткой, Петром Гарстецким и Аркадиушем Йозефчаком и Луайтен присоединились к своим командам, чтобы понять феномен, который заставил эти цепи формироваться.
Их открытие может привести к новому поколению электронных устройств и быстрому и простому методу написания двумерных электронных схем.«Наши научные результаты могут открыть другие области для будущих исследований — как фундаментальных, так и прикладных», — сказал Розинек. «Мы уже работаем над последующими проектами, основанными на нашем открытии».При поддержке Фонда польской науки, Польского национального научного центра и Национального научного фонда США исследование было опубликовано сегодня в Интернете в журнале Nature Communications.
Розинек и Луйтен являются соавторами-корреспондентами. Розинек также является соавтором с Минг Ханом, аспирантом лаборатории вычислительной мягкой материи Луиджтена.
Розинек и Хан провели несколько расчетов, показав, как электрическое поле электрода меняет свойства частиц. Когда электрод погружается в коллоидный раствор, его заряженный наконечник поляризует каждую сферу. Эти индуцированные диполярные взаимодействия заставляют сферы соединяться вместе.
В результате цепочка может содержать сотни тысяч сфер длиной до 30 сантиметров.После того, как команда раскрыла тайну образования цепей, у нее появилась вторая загадка. «Еще одна интересная деталь заключается в том, что после того, как мы вытащили цепь из жидкости, нам больше не нужно было прикладывать электрическое поле, чтобы удерживать структуру цепи», — сказал Хан. «После выключения поля стабильная цепочка частиц оставалась стабильной».После нескольких месяцев расследования команды Люйтена и Розинека обнаружили, что цепи сохраняют свою структуру за счет жидких «мостиков» между соседними частицами.
Когда исследователи вытащили цепь из жидкости, силиконовое масло прилипло к сторонам каждой частицы, образуя оболочку вокруг всей цепи и сохраняя ее неповрежденной.«Поверхностное натяжение играет здесь большую роль», — сказал Хан. «Жидкий мостик заставляет частицы слипаться. Физика здесь действительно интересная. Большинство людей подумают, что если вы хотите удерживать структуру, вам нужно будет приложить электрическое поле.
Но в нашей системе это не нужно».Как только гибкую цепочку вытащили из жидкости, ее можно сразу же протащить по поверхности и отложить, чтобы создать узор.
Исследователи считают, что этот метод можно использовать как альтернативный способ создания простых двумерных электронных схем. Если вместо силиконового масла использовать расплавленный воск, то этот метод также можно использовать для создания трехмерных структур, которые сохраняют свою форму, когда воск охлаждается и затвердевает.«Несмотря на простоту, наш метод изготовления коллоидных структур очень элегантен и может использоваться для многих приложений, — сказал Розинек, — включая изготовление токопроводящих дорожек на различных подложках для использования, например, в электронных приложениях».Луйтен и Розинек считают, что раскрытие этой тайны потенциально может открыть дверь для приложений, которые они не могут предсказать сегодня.
Понимая, как работает метод, они могут лучше оценить, как различные типы жидкостей или уровни напряжения могут повлиять на цепи и изменить результат.«Понимание того, как это работает, значительно упрощает управление и оптимизацию», — сказал Луйтен. «Мы можем сказать, будет ли метод работать лучше или хуже, если частицы будут больше или если электрическое поле сильнее.
Это возможно только потому, что мы это понимаем. В противном случае вам пришлось бы исследовать бесконечный набор комбинаций».