Частички металла самостоятельно собираются в псевдоживые змейки

Эти цепочки из металлических частиц так походят на реальных животных, что трудно не думать о них как о живом организме (см. видео ниже). Однако фактически они просто частички металла, которые объединились под влиянием особенно настроенного магнитного поля.

"Эти частицы ведут себя как некоторый живой объект, - рассказывает физик Александр Снежко. - Они перемещаются. Они сталкиваются со свободно плавающими частицами, и поглощают их".

Это исследование лежит глубоко в царстве науке, там, где люди пытаются понять, как вещи работают и почему. Конечно, идёт разговор и о возможных применениях, однако в основе этого эксперимента лежит чистое исследование. Александр Снежко и его аспирант Игорь Аронсон, оба родом из России, обнаружили нечто классное, и они просто пытаются выяснить, почему эта штука работает. Походу, они могут выяснить и кое-что фундаментальное о том, как работает мир.

Наблюдая за тем, как частицы самоорганизуются, ученые видят аналогию стадам овец и стай рыб. Кажется, что могут существовать некоторые общие правила, которым подчиняется поведение и движение групп вещей, однако пока не ясно, каковы эти правила. Чтобы выяснить, как такие системы появляются, потребовалось несколько лет исчерпывающих исследований. Некоторые детали исследования будут опубликованы на следующей неделе в журнале Physical Review Letters.

Возможно, изучая эту простую систему, они смогут понять то, что Аронсон называет "основными принципами самостоятельной сборки, то, как природа может организоваться в упорядоченные состояния". Идея состоит в том, что, если они смогут определить, как магнитные поля и поверхностное натяжение воды могут породить сложное поведение частиц, то они станут ближе к пониманию более сложных, более загрязненных систем, таких, как первичный бульон, из которого возникла жизнь на Земле.

"Мы все еще не знаем, что за физика соответствует биологии. Это - замечательное промежуточное звено, - рассказывает Иаин Кузин (Iain Couzin), глава лаборатории коллективного поведения животных в Принстонском университете. - Нет ничего биологического во взаимодействии между частицами, однако их коллективная динамика может дать нам понимание, как мы можем начать изучать реальные биологические системы".

Когда змейки начали впервые формироваться во время несвязанного эксперимента, Снежко долго пытался их убить, однако вскоре они стали более интересными, чем тот эксперимент, который они разрушали. Система проявляет новое, динамическое поведение каждый раз они включают её. Это гипнотизирует.

Внутри своей подвальной лаборатории, Снежко любит показывать гостям очаровательное видео того, что почти походит на детский рисунок маленького человека — одна большая "голова" тащит "тело" из тощих цепочек частиц плавающих в мензурке.

Когда голова начинает непредсказуемо управлять цепочками, почти невозможно не наделить структуру человеческими качествами. Их действия слишком похожи как жизнь. У этой чертовщины фактически имеется... индивидуальность.

«У неё также бывает очень плохое настроение», - шутит Аронсон, отмечая, что это существо, этот вымысел природы, "охотится" на другие частицы. Как вы можете видеть на видео, этот металлический монстр, это пелагическое животное, голодно. По мере насыщения частицами, оно начинаёт плавать всё быстрее и быстрее.

Экспериментальная установка проста: заполненная жидкостью мензурка, окруженная магнитом. Магнит подсоединен к источнику переменного тока, таким образом, он создает переменное магнитное поле. Большую часть времени, когда ученые погружают частицы в жидкость и включают поле, ничто интересного не происходит. Иногда частицы соединяются в неподвижные цепочки. Однако, когда магнитное поле настроено должным образом происходит нечто странное. Частицы соединяются в цепи, которые начинают плавать по мензурке.

«Мы называем эти структуры змейками», - рассказывает Снежко, указывая на одну из простых структур. И действительно, она очень похожа, на компьютерную игру «змейка», в которую вы, возможно, играли на вашем старом телефоне.

По словам учёных, движение змеек является своего рода "резонансом". Когда магнитное поле постоянно меняет направленность на противоположное, движение частиц изменяет поверхность воды, которая изменяет то, как частицы перемещаются, которые изменяет поверхность воды, и так далее. Моделирование процесса (на видео ниже), помогает показать, с чего он начинается.

Немного изменяя параметры, частоту переменного тока или добавляя смеси из частиц разных размеров, они могут произвести различные типы систем. Помимо охотника, они произвели системы с одной и несколькими змейками, цепи, которые стоят на месте, но двигают воду, и цепи, которые танцуют рокнрол.

"У них есть преднамеренно небиологическая система, однако она ведёт себя немного как биологическая система, - рассказывает  Иаин Кузин. – Мне нравится тот очень красивый способ, которым эта система связывает биологию и физику".

В будущем, это исследование может получить и практическое применение. Этих псевдоживотных например можно использоваться, чтобы очищать поверхности материалов, или, возможно, одна из змеек будет присоединяться к живой клетке и двигать её. Вай Квок (Wai Kwok), глава группы по изучению сверхпроводимости и магнетизма в Аргоннской лаборатории, называет присоединение магнитных частиц к живым клеткам "вполне выполнимым".

"Если Вы сможете сделать это, то фактически  вы сможете управлять живым организмом", - считает Квок.

По крайней мере, работа может помочь биологам понять, как двигаются крошечные микроорганизмы. Аронсон управляет также другой лабораторией - пытающейся применить часть работы по змейкам к движению одноклеточных организмов.

В самом маленьком масштабе, самособирающиеся, самоходные псевдоживые наночастицы могут очищать поверхности или доставлять лекарства, однако ученые согласны с тем, что в таком масштабе существуют серьезные технические проблемы.

В любом случае у Снежко есть ответ для репортеров, задающих типичные вопросы об областях применения. Он указывает на табличку, висящую над его столом. На ней известная цитата Ричарда Фейнмана: "Физика походит на секс. Несомненно, это может дать некоторые практические результаты, но мы занимаемся им не ради них".

По материалам Wired Science