Ein System aus mehr als 10.000 kolloidalen Partikeln zeigte unter dem Einfluss eines Wechselfelds nicht-reziproke Wechselwirkungen und ebnet den Weg für programmierbare Materialien.
Stellen Sie sich vor, Sie schieben eine Wand, und sie drückt nicht mit gleicher Kraft zurück. Genau ein solches Verhalten, das einem der grundlegenden Newtonschen Gesetze widerspricht, haben japanische Physiker in einer neuen Studie beobachtet. Das Team der Fakultät für Fortgeschrittene Ingenieurwissenschaften der Tokyo University of Science hat ein System geschaffen, in dem die Wechselwirkungen zwischen winzigen Partikeln nicht reziprok sind, also Aktion und Reaktion nicht gleich sind.
Die Studie, veröffentlicht in der Zeitschrift Physical Review Letters, basiert auf einem groß angelegten System mit mehr als 10.000 kolloidalen Polystyrolpartikeln. Um die Bedingungen für das ungewöhnliche Verhalten zu schaffen, suspendierten die Forscher Partikel unterschiedlicher Größe, mit Radien von 1 und 1,5 Mikrometern, in Wasser und schlossen sie zwischen transparenten, mit Indium-Zinn-Oxid beschichteten Elektroden ein. Nach Anlegen eines Wechselfeldes wurde das Verhalten der Partikel über mehr als eine Stunde beobachtet.
Der Schlüssel zum gesamten Phänomen liegt in elektrohydrodynamischen (EHD) Strömungen, die sich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes um die Partikel bilden. Das Forschungsteam fand heraus, dass die Stärke dieser Strömungen stark von der Partikelgröße abhängt. Größere Partikel erzeugen stärkere EHD-Strömungen als kleinere, was bedeutet, dass auch ihre vermittelte Anziehung zu kleineren Partikeln stärker ist. Die Folge dieses Ungleichgewichts sind nicht-reziproke Wechselwirkungen: Ein größeres Partikel zieht ein kleineres stärker an, als das kleinere das größere zurückzieht.
Dies steht in direktem Widerspruch zum dritten Newtonschen Gesetz der Bewegung, das besagt, dass "die gegenseitigen Einwirkungen zweier Körper aufeinander immer gleich und entgegengesetzt gerichtet sind", also dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. In üblichen passiven Systemen sind Wechselwirkungen reziprok.
Aufgrund dieser unausgewogenen Anziehung verbanden sich die Partikel spontan zu asymmetrischen Paaren mit klar definierter Vorder- und Rückseite. Obwohl sich kein Partikel einzeln fortbewegen konnte, verhielten sie sich zusammen wie eine selbstangetriebene Einheit. "Einfacher ausgedrückt: Partikel, die sich anziehen, wie Sand, Pulver oder Regentropfen, neigen im Allgemeinen dazu, sich im Laufe der Zeit weiter zu sammeln und zu größeren Ansammlungen zu wachsen", erklärte Yutaka Sumino, Koautor der Studie und Physiker an der Tokyo University of Science, gegenüber Gizmodo.
Das Verhalten dieser Paare war jedoch alles andere als konventionell. Als mehr Paare auftauchten, begannen sie sich zu größeren Clustern zusammenzusetzen, aber sie wuchsen nicht einfach zu statischen Aggregaten weiter. Stattdessen, so Sumino, "sammelten sie sich und trennten sich dann wieder". Die Cluster zerfielen wiederholt, ordneten sich neu und bildeten sich erneut. Die selbstangetriebenen Paare erzeugten kontinuierlich Bewegung in ihrem Inneren und verhinderten so die Bildung riesiger statischer Strukturen.
Zum Vergleich: In Suspensionen, die nur Partikel einer Größe enthielten, blieben die Wechselwirkungen reziprok, und die Partikel fügten sich allmählich zu statischen kristallinen Strukturen zusammen. Numerische Simulationen bestätigten die experimentellen Ergebnisse und zeigten, dass der nicht-reziproke Antrieb der Paare der minimale Mechanismus ist, der zur Aufrechterhaltung dieser ungewöhnlichen Dynamik erforderlich ist.
"Diese Forschung zeigt, dass die Brechung der Symmetrie von Aktion und Reaktion ein grundlegendes Prinzip ist, das neue kollektive Bewegungen und Selbstorganisation von Materie erzeugt", betonte Sumino. Die Forscher glauben, dass ähnliche nicht-reziproke Mechanismen auch in biologischen Systemen existieren könnten, etwa in Zellkolonien und Tiergruppen. Diese Entdeckung könnte die Entwicklung völlig neuer Technologien beeinflussen, darunter programmierbare Materialien und extern gesteuerte Mikrorobotersysteme.
