10 тысяч микроскопических частиц нарушили привычный закон Ньютона и начали двигаться вместе
Учёные из Японии выяснили, каким образом тысячи микроскопических частиц могут самопроизвольно объединяться в пары, двигаться и перестраиваться, нарушая привычную симметрию закона действия и противодействия Ньютона.
Исследование провели профессора факультета передовой инженерии Токийского университета науки Ютака Сумино и Киваму Ёсии. В рамках эксперимента учёные создали крупномасштабную коллоидную систему, содержащую более 10 тысяч частиц, и наблюдали за их поведением на протяжении более часа.
Учёные поместили в воду полистирольные коллоидные частицы радиусом 1 и 1,5 микрометра. Их расположили между прозрачными электродами, покрытыми оксидом индия и олова. После включения переменного электрического поля вокруг частиц начали возникать электрокидродинамические потоки.
Оказалось, что сила этих потоков существенно зависела от размера частиц. Более крупные частицы создавали более сильные потоки, чем мелкие, поэтому и притяжение, обусловленное этими потоками, было неодинаковым.
Именно эта разница привела к возникновению так называемых невзаимных взаимодействий между частицами разного размера. Крупная частица сильнее воздействовала на маленькую, чем маленькая воздействовала на крупную в обратном направлении.
В обычных пассивных системах взаимодействия между объектами являются взаимными. Согласно третьему закону Ньютона, если одно тело воздействует на другое с определённой силой, второе тело воздействует на первое с равной по величине и противоположной по направлению силой.
Однако в созданной японскими исследователями системе это условие перестало выполняться. Частицы разных размеров начали самопроизвольно объединяться в асимметричные пары, у которых формировались своеобразные передняя и задняя части.
При этом отдельные частицы не могли самостоятельно приводить себя в движение. Но после объединения в пару две частицы начинали вести себя как единая самодвижущаяся структура и перемещались в жидкости.
По мере появления новых пар они начали объединяться в более крупные скопления. Однако учёные обнаружили неожиданное поведение. В отличие от обычных частиц, испытывающих взаимное притяжение, эти скопления не продолжали бесконечно увеличиваться.
Вместо этого они постоянно распадались, перестраивались и снова формировались. Самодвижущиеся пары непрерывно создавали движение внутри скоплений, не позволяя частицам превратиться в огромные неподвижные агрегаты.
Исследователи сравнили полученные результаты с поведением суспензий, содержащих частицы только одного размера. В таких системах взаимодействия оставались взаимными, а частицы постепенно объединялись в неподвижные кристаллические структуры.
Компьютерное моделирование воспроизвело результаты эксперимента и показало, что самодвижение пар, возникающее из-за невзаимных взаимодействий, является минимальным механизмом, необходимым для поддержания необычной динамики скоплений.
«Наша система представляет собой экспериментально управляемый пример невзаимной физики многих тел, в котором нарушение симметрии действия и противодействия приводит к возникновению коллективных явлений», — объяснил Ютака Сумино.
По словам исследователя, эксперимент показал, что нарушение симметрии действия и противодействия может быть универсальным механизмом, благодаря которому материя способна самостоятельно формировать динамически упорядоченные структуры.
Учёные отмечают, что подобные невзаимные взаимодействия могут встречаться не только в искусственных коллоидных системах. Аналогичные механизмы потенциально способны проявляться в биологических системах, например в колониях клеток или группах животных, где отдельные элементы могут влиять друг на друга неодинаковым образом.
Полученные результаты могут помочь исследователям лучше понять, каким образом коллективное поведение возникает в сложных системах. В дальнейшем обнаруженный механизм может найти применение при создании программируемых материалов и управляемых извне микророботизированных систем.
Исследование в журнале Physical Review Letters.