Universiteit Leiden

nl en

Materialen van zelf-draaiende deeltjes

Materialen zijn gasvorming, vloeibaar of vast, afhankelijk van de manier waarop hun moleculen reageren op temperatuur en druk. Maar wat als de bouwstenen zelf-draaiende deeltjes zijn in plaats van gewone moleculen? Theoretisch natuurkundigen hebben ontdekt wat de fase bepaalt van die kunstmatige materialen. Publicatie in PNAS.

Als water 100 °C wordt, verandert het in een gas. Tenminste, op zeeniveau. Neem wat luchtdruk weg, en water zal al gaan koken bij lagere temperaturen. Het is duidelijk dat materialen van normale moleculen een fase aannemen afhankelijk van temperatuur en druk. Leids theoretisch natuurkundige Prof. Vincenzo Vitelli vroeg zich af wat er gebeurt als materialen in plaats daarvan zelf-draaiende deeltjes hebben als bouwstenen.

Simulatie

Om hier antwoord op te geven, simuleren eerste auteurs Benny van Zuiden en Jayson Paulose zelf-draaiende deeltjes op hun computer en bestuderen hoe ze zich organiseren. Als ze er een geleidelijk toenemende druk op zetten, zien ze het systeem veranderen van een geordende toestand in een grote chaos.

In de onderstaande figuur zien we links een prachtig geordende toestand, met deeltjes die netjes een driehoekig kristalrooster vormen. Bovendien zit de relatieve oriëntatie van de nabije deeltjes op slot terwijl ze ronddraaien.

Helemaal rechts is de concentratie zo hoog dat het systeem vast komt te zitten in een glasachtige fase. Opmerkelijk genoeg zit er nog een vloeibare fase tussenin. Normaal gesproken wordt een substantie vaster naarmate de dichtheid hoger wordt. Hier gebeurt het omgekeerde.

Vloeibaar

Dus hoe kan er een vloeibare toestand ontstaan? Bij lage dichtheid hebben de deeltjes ruimte genoeg om zich te bewegen zoals ze willen en synchroon te blijven, zoals een groep podiumdansers. Als het podium te klein is, botsen de dansers op elkaar en bewegen ze chaotisch door elkaar, als deeltjes in een vloeistof. Als het podium echter zó klein wordt dat de dansers niet meer kunnen bewegen, komen ze vast te zitten in een stilstaande chaos.

Publicatie

Benjamin C. van Zuiden, Jayson Paulose, William T. M. Irvine, Denis Bartolo, and Vincenzo Vitelli, ‘Spatiotemporal order and emergent edge currents in active spinner materials’, PNAS