Fizičari stvorili sustav u kojem akcija i reakcija nisu jednake
Sustav od više od 10.000 koloidnih čestica pokazao je nerecipročne interakcije pod utjecajem izmjeničnog električnog polja, otvarajući vrata programabilnim materijalima.
Sustav od više od 10.000 koloidnih čestica pokazao je nerecipročne interakcije pod utjecajem izmjeničnog električnog polja, otvarajući vrata programabilnim materijalima.
Zamislite da gurnete zid, a on vas ne odgurne natrag jednakom silom. Upravo takvo ponašanje, koje prkosi jednom od temeljnih Newtonovih zakona, uočili su japanski fizičari u novom istraživanju. Tim sa Fakulteta naprednog inženjerstva Tokijskog sveučilišta znanosti stvorio je sustav u kojem interakcije između sićušnih čestica nisu recipročne, odnosno akcija i reakcija nisu jednake.
Studija, objavljena u časopisu Physical Review Letters, temelji se na sustavu velikih razmjera koji sadrži više od 10.000 koloidnih čestica polistirena. Kako bi se stvorili uvjeti za neobično ponašanje, istraživači su suspendirali čestice različitih veličina, radijusa od 1 i 1,5 mikrometara, u vodi i zatvorili ih između prozirnih elektroda obloženih indij-kositrovim oksidom. Nakon primjene izmjeničnog električnog polja, ponašanje čestica promatrano je dulje od sat vremena.
Ključ cijelog fenomena leži u elektrohidrodinamičkim (EHD) tokovima koji se formiraju oko čestica pod utjecajem električnog polja. Istraživački tim otkrio je da snaga tih tokova uvelike ovisi o veličini čestice. Veće čestice proizvode jače EHD tokove od manjih, što znači da je i njihova posredovana privlačnost prema manjim česticama jača. Posljedica te neravnoteže su nerecipročne interakcije: veća čestica privlači manju snažnije nego što manja privlači veću natrag.
Ovo je u izravnoj suprotnosti s Newtonovim trećim zakonom gibanja koji kaže da su "mutual actions of two bodies upon each other are always equal and directed to contrary parts", odnosno da za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. U uobičajenim pasivnim sustavima, interakcije su recipročne.
Zbog ove neuravnotežene privlačnosti, čestice su se spontano spajale u asimetrične parove s jasno definiranom prednjom i stražnjom stranom. Iako se nijedna čestica nije mogla pojedinačno pokretati, zajedno su se ponašale kao samohodna jedinica. "Jednostavnije rečeno, čestice koje se privlače, poput pijeska, praha ili kišnih kapi, općenito se nastavljaju skupljati tijekom vremena, rastući u veće nakupine", objasnio je Yutaka Sumino, koautor studije i fizičar na Tokijskom sveučilištu znanosti, za Gizmodo.
Međutim, ponašanje ovih parova bilo je sve samo ne konvencionalno. Kako se pojavljivalo više parova, oni su se počeli sastavljati u veće klastere, ali nisu jednostavno nastavili rasti u statične agregate. Umjesto toga, kako navodi Sumino, "skupljale su se i zatim razdvajale". Klasteri su se više puta raspadali, preuređivali i ponovno formirali. Samohodni parovi kontinuirano su generirali kretanje unutar sebe, sprječavajući stvaranje divovskih statičkih struktura.
Za usporedbu, u suspenzijama koje su sadržavale čestice samo jedne veličine, interakcije su ostale recipročne, a čestice su se postupno sastavljale u statične kristalne strukture. Numeričke simulacije potvrdile su eksperimentalne rezultate i pokazale da je nerecipročni pogon parova minimalni mehanizam potreban za održavanje ove neobične dinamike.
"Ovo istraživanje pokazuje da je razbijanje simetrije akcije i reakcije temeljni princip koji generira nova kolektivna gibanja i samoorganizaciju materije", istaknuo je Sumino. Istraživači vjeruju da bi slični nerecipročni mehanizmi mogli postojati i u biološkim sustavima, poput staničnih kolonija i skupina životinja. Ovo otkriće moglo bi utjecati na razvoj potpuno novih tehnologija, uključujući programabilne materijale i izvana kontrolirane mikrorobotske sustave.
