Бегущие волны обычно наблюдаются в биологических и синтетических системах, а недавние открытия показали, как коллоиды серебра образуют бегущие волны движения в перекиси водорода под действием УФ-излучения. В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Си Чен и группа исследователей в области интеллектуальных материалов, физики и оптики из Харбинского технологического института и Шанхайского университета Цзяо Тан в Китае показали коллоидную волну движения как гетерогенную возбудимую волну.
Коллоиды серебра генерировали бегущие химические волны посредством реакционной диффузии и были либо самодвижущимися, либо адвективными посредством диффузии или осмоса. Команда наблюдала за фундаментальными результатами, используя красители, чувствительные к гидроксидам и рН, и использовала модель Роджерса-Маккаллоха для количественного и качественного воспроизведения характерных особенностей коллоидных волн. Результаты открывают путь для интеграции коллоидных волн в качестве платформы для изучения нелинейных явлений и изучения коллоидного транспорта для изучения передачи информации в ансамблях биомиметических микророботов.
Трансляция биологических колебаний в лаборатории
В живых системах широко наблюдаются колебательные процессы , варьирующие от суточного ритма до цитозольных колебаний . Связь между колебательными единицами может привести к синхронизации, вызывающей бегущие волны, как это наблюдается с кальциевыми волнами, распространяющимися по оплодотворенной яйцеклетке , потенциалами действия, распространяющимися по бьющимся сердечным клеткам , митотическими состояниями и волнами самоорганизующейся амебы . Биофизики стремятся понять физико-химическую природу этих волн, чтобы изучить основные тенденции в жизни. Недавние открытия фотохимически активных колеблющихся коллоидов, содержащих серебро .являются захватывающим дополнением к семейству нелинейных процессов.
Когда исследователи погружали инертные полимерные микросферы, наполовину покрытые серебром, в водный раствор перекиси водорода или хлорида калия и подвергали их воздействию источников света, они отмечали появление импульсов . Они предположили, что наночастицы серебра, полученные в ходе эксперимента, служили каталитическими горячими точками для обеспечения дальнейших реакций. Независимо от химических деталей, команда отметила, как диффузия химических веществ приводила в движение частицы Януса посредством самодиффузиофореза ., чтобы вызвать подобное коллоидное движение. В этой работе Чен и др. предложили первый взгляд на создание химически активных коллоидов и отслеживали их реакцию на химические волны за пределами классических систем реакции-диффузии. Результаты предлагают большие возможности для поступательных исследований, связывающих активную материю с нелинейной наукой, чтобы регулировать рои биомиметических микроскопических машин.
Эксперименты
Команда отметила развитие периодических волн коллоидного движения при синхронном распространении. Ранее они регистрировали баллистические волны с промежуточной плотностью населения, когда активированные коллоиды на фронте волны двигались во всех направлениях за счет форетического самодвижения . Исследователи отметили появление качественно разных типов волн, известных как роящиеся волны, при еще более высокой плотности населения. В этом случае команда разработала полиметилметакрилатные микросферы, наполовину покрытые серебром (PMMA-Ag), взвешенные в перекиси водорода и хлориде калия.и освещается светом с длиной волны 365 нм. Коллоидная частица, содержащая серебро, в принципе могла излучать роящиеся волны. Экспериментальные результаты показали результат, аналогичный « мексиканской волне », наблюдаемой на футбольных стадионах. Затем команда провела количественную оценку роящейся волны с помощью отслеживания отдельных частиц и измерения скорости изображения микрочастиц, рассматривая коллоидные частицы как индикаторы потока. В этом случае волна двигалась со скоростью 16 мкм/с с настраиваемыми параметрами. Изменения интенсивности света лишь незначительно изменили период и скорость роящейся волны. Команда отличила роящиеся волны от баллистических волн по их характерной подвижности и физико-химии.
Химические волны: физико-химическая природа коллоидной волны
Чен и др. описали физико-химическую природу активации и восстановления коллоидных волн. Поскольку волновое явление вызвано бегущими волнами в реакционно-диффузионных системах, они предположили, что коллоидные волны опираются на бегущую химическую волну из-за механизмов реакции-диффузии. Например, перекись водорода может разлагаться быстрее при более высоком pH с образованием всплеска высокоокислительных промежуточных продуктов .который окислял серебро до хлорида серебра. Возникшая в результате химическая реактивность активировала коллоид серебра, чтобы высвободить взрыв химических веществ для поддержания распространения химической волны. Они подтвердили образование анионов гидроксида во время окисления серебра и образование катионов водорода во время фоторазложения хлорида серебра на фронте химической волны и за ним с помощью флуоресцентного картирования и измерений pH.
Коллоиды реагируют на химическую волну: моделирование коллоидной волны реакции-диффузии
Затем ученые изучили динамику коллоидных частиц в химической волне, чтобы определить тип формируемой коллоидной волны. Они отметили ионный самодиффузиофорез, а при более высокой плотности ионов они отметили более слабые электрокинетические эффекты для снижения самодвижения. Они идентифицировали динамику нейтральной диффузионно-осмотической динамики, которая перемещала коллоидные частицы посредством адвекции в дополнение к самораспространению. По мере ослабления самораспространения и усиления диффузионно-осмоса в скученном растворе с ростом ионной силы коллоидная волна переходила в роевую. Команда наблюдала ряд эффектов, включая электрокинетические эффекты, поддержку адвекции через осмос и самодвижение во время экспериментов. Затем Чен и др. воспроизвели и подтвердили предложенную коллоидную волну реакции-диффузии с помощьючисленное моделирование . На первом этапе они использовали модель Роджерса-МакКаллоха для моделирования химической волны, полученные численные модели качественно воспроизводили ключевые особенности, для исследования динамики коллоидных волн.
Перспектива
Таким образом, Си Чен и его коллеги разработали численную модель для моделирования коллоидных волн для изучения неоднородности химических волн. Результаты показали хорошее согласие с моделированием и экспериментами, что дало ключевую информацию для понимания микроскопических деталей химических волн в экспериментальных системах. Коллоидные волны можно интегрировать с помощью оптического пинцета , акустофлюидики или микрофлюидики для регулирования микро- и наноскопических объектов в пространстве и времени. Этот метод полезен для изучения физико-химической динамики коллоидной волны и может привести к разработке систем передачи информации с помощью волн для изучения автономных микророботов. Коллоидные волныпредставляют собой хорошую модельную систему реакционно-диффузионных процессов в мезоскопическом и микроскопическом масштабах.
