Japanci otkrili čestice koje prkose poznatom Newtonovom zakonu

Za potrebe studije, provedene pri Fakultetu naprednog inženjerstva Tokijskog sveučilišta znanosti stvoren je sustav velikih razmjera koji sadrži preko 10 tisuća koloidnih čestica, čije je ponašanje promatrano dulje od sat vremena.

Pod utjecajem izmjeničnog električnog polja, čestice različitih veličina počele su neravnomjerno međudjelovati. Veće čestice privlačile su manje jače nego što su ih manje čestice privlačile natrag. Zbog te interakcije pasivne čestice formirale su parove i pokretale se kroz tekućinu.

U običnim pasivnim sustavima interakcije su recipročne. Prema Newtonovom trećem zakonu gibanja, za svaku akciju postoji jednaka i suprotna reakcija. Jednostavno rečeno, kada jedan objekt djeluje silom na drugi, drugi djeluje jednakom i suprotnom silom zauzvrat.

Nerecipročne interakcije

Kako bi stvorili sustav s nerecipročnim interakcijama, istraživački tim je suspendirao koloidne čestice polistirena radijusa 1 i 1,5 mikrometara u vodi. Zatim su ih zatvorili između prozirnih elektroda obloženih indij-kositrovim oksidom.

Nakon što je istraživački tim primijenio izmjenično električno polje, oko čestica su se formirali elektrohidrodinamički (EHD) tokovi. Otkrili su kako snaga tih tokova u velikoj mjeri ovisi o veličini čestica. Veće čestice proizvode jače tokove od manjih, što znači kako je njihova EHD-posredovana privlačnost također jača.

Rezultat te neravnoteže su nerecipročne interakcije između čestica različitih veličina. Čestice su se zatim spontano spojile u asimetrične parove s jasnom prednjom i stražnjom stranom. Iako se nijedna čestica nije mogla pojedinačno pokretati, zajedno su se ponašale kao samohodna jedinica.

Kako se pojavljivalo više parova, počeli su se sastavljati u veće klastere. Ali, za razliku od konvencionalnih privlačnih čestica, klasteri nisu jednostavno nastavili rasti.

Umjesto toga su se više puta raspadali, preuređivali i ponovno formirali. Samohodni parovi kontinuirano generiraju kretanje unutar sebe i sprječavaju stvaranje divovskih statičkih agregata.

Moguće i u biološkim sustavima

Istraživači su usporedili ovo ponašanje sa suspenzijama koje sadrže čestice samo jedne veličine. U tim sustavima interakcije su ostale recipročne, dok su se čestice postupno sastavljale u statičke kristalne strukture.

Numeričke simulacije reproducirale su eksperimentalne rezultate i pokazale kako je nerecipročni pogon parova minimalni mehanizam potreban za održavanje neobične dinamike klastera.

Slične nerecipročne interakcije mogu pojaviti u biološkim sustavima, poput staničnih kolonija i skupina životinja.Takav mehanizam bi mogao utjecati na razvoj novih tehnologija, uključujući programabilne materijale i izvana kontrolirane mikrorobotske sustave.

Studija je objavljena u časopisu Physical Review Letters.