Анимация роста плавающего кристалла от N=3 до N=19 частиц. Частицы добавляются одна за другой к поверхности жидкости под действием магнитного поля. Капиллярные силы притяжения уравновешиваются магнитными силами отталкивания. Сборка демонстрирует симметрию, типичную для атомарных кристаллов. Предоставлено: Льежский университет / Н. Вандевалле.

Многочастичные системы представляют интерес в нескольких областях физики. Структура определяется их взаимодействием. В частности, при наличии притягивающих взаимодействий эти системы склонны к самосборке, минимизируя свою энергию. Это явление существует на всех уровнях, управляя образованием молекул и планетарных систем. В зависимости от сложности взаимодействий частицы могут образовывать простые периодические структуры (кристаллы) или более сложные, такие как белковые цепи.

Магнитокапиллярные взаимодействия между частицами позволяют самосборке плавающих кристаллов вдоль границ раздела жидкостей. Для фиксированного числа частиц сосуществуют разные состояния с разными симметричными характеристиками, называемые метастабильными состояниями. В различных пионерских работах наблюдалось существование метастабильных состояний в плавающих кристаллах.

Поскольку сосуществуют разные состояния, трудно контролировать формирование конкретных структур. Однако контроль за образованием метастабильных состояний является ключевым элементом для функционализации таких сборок, прокладывая путь, например, для самособирающихся микророботов. Способ управления состоянием плавающего кристалла ранее никогда не изучался.

«Самостоятельная сборка привлекла внимание научных кругов и промышленности из-за ее использования для изготовления крошечных структур», — говорит Николас Вандевалле, профессор физики и директор GRASP. «Действительно, некоторые структуры слишком велики, чтобы их можно было изготовить с помощью химического синтеза, и слишком малы, чтобы их можно было собрать с помощью роботизированных методов. В частности, масштаб микрометр-миллиметр обычно является узким местом между стандартными методами производства «снизу вверх» и «сверху вниз».

Одной из основных характеристик самособирающихся систем является то, что из-за большого числа степеней свободы часто существует несколько локальных минимумов в дополнение к глобальному состоянию минимальной энергии. Эти метастабильные состояния можно наблюдать на всех уровнях, на молекулярном уровне, в коллоидах, на мезоскопическом уровне и на макроскопическом уровне.

Различные скопления частиц N на поверхности жидкости. Для каждого количества частиц N показаны две разные сборки друг напротив друга, демонстрирующие метастабильность сборки. Предоставлено: Льежский университет / Н. Вандевалле.

В последнее время возрос интерес к тому, как использовать эти метастабильные состояния для активного структурирования. Поэтому фундаментальный вопрос, который исследователи задали в этом исследовании, состоит в том, чтобы определить условия для навигации между различными метастабильными состояниями.

«В исследовании, которое мы только что опубликовали, — говорит Илона Коллард, научный сотрудник GRASP и первый автор статьи, — мы изучали магнитокапиллярные самосборки, состоящие из 3–19 частиц. Для фиксированного числа частиц, составляющих сборку, несколько сосуществуют различные состояния, отличающиеся своей формой, размером ячеек и симметрией».

Исследователи предложили два разных, но дополняющих друг друга экспериментальных метода для контролируемой навигации между этими разными состояниями. Первый допускал изменение состояния для фиксированного числа частиц. Это достигается за счет приложения горизонтального магнитного поля, вызывающего деформацию сборки.

После релаксации сборка с определенной вероятностью изменит свое состояние. Второй метод контролирует рост сборки, выбирая желаемое состояние для сборки из N (количество) + 1 бусинка из сборки из N бусинок. Инфракрасный лазер воздействует на поверхность воды для создания термокапиллярных потоков, управляющих траекторией добавляемой в систему новой бусинки.

«Были предложены модели для изучения частоты возникновения различных состояний сборки при ее создании, — объясняет Николя Вандевалле, — и для моделирования двух экспериментальных методов. Моделирование очень хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Аналогия между этими магнитокапиллярными сборками, которые могут быть уменьшены до меньшего масштаба, и коллоидными кристаллами было предложено расширить перспективы этой работы».

Эта работа действительно актуальна для изготовления микроскопических структур, таких как электронные схемы, микророботы или новые материалы с новыми физическими свойствами.