Хорошо известно, что физикам удается точно описать только довольно простые системы. Например, мы можем точно решить задачу о двух взаимодействующих телах, но уже в задаче трех тел точного ответа не будет. Обычно в случаях, когда получить точное решение в виде математической формулы не удается, используют численные методы, когда в задаче как исходные данные, так и решения представляют собой наборы чисел. Но даже с численными методами для сложных систем приходиться создавать упрощенную модель. В результате, в большинстве случаев мы можем получить о поведении и свойствах систем только качественное представление.
Но даже такие качественные представления позволяют физикам и инженерам нащупывать пути для создания удивительных вещей. Например, базируясь на качественных представлениях, методом проб и ошибок, команда исследователей из университета Пенсильвании пытается применить широко известные капиллярные свойства жидкостей, когда за счет смачивания стенок жидкость поднимается вверх по узким трубочкам, противодействуя силе тяжести. В обычной жизни на таких свойствах основано действие влажных тряпок, губок, впитывание жидкости растениями. Ученые же рассматривают более сложный случай капиллярных эффектов в пограничном слое между двумя жидкостями, водой и гексадеканом, куда дополнительно помещают маленькие, буквально в треть миллиметра, кусочки магнита, чьей ориентацией в пространстве можно управлять при помощи магнитных полей. Оказавшись в слое, кусочки деформируют вокруг себя среду, окутываясь своеобразным «силовым полем» из капиллярных взаимодействий. Это «силовое поле» позволяет магнитику притягивать пластиковые микрочастицы либо к себе, либо к другими частицами, уже прилипшими к его краям. В зависимости от формы магнитиков «силовое поле» обладает различными свойствами. Например, захваченная магнитиком с острыми углами микрочастица никогда не отлипнет, а при мягких уголках достаточно раскрутить магнитик, чтобы освободить частицу.
Поскольку магнитиками можно манипулировать, а их способность взаимодействовать с микрочастицами никак не связана с материалами, из которых последние сделаны, то такие системы из магнитных «микророботов» имеют очень широкий спектр возможных применений. Например, с учетом того, что в эксперименте использовались микрочастицы со средним размером в человеческую клетку или меньше можно предположить, что «микророботы» могут найти свое применение в области биологии одноклеточных организмов.
В общем, весьма интересная и перспективная технология конструирования микросистем, требующая, конечно же, развития.
Tianyi Yao et al. Directed assembly and micro-manipulation of passive particles at fluid interfaces via capillarity using a magnetic micro-robot, Applied Physics Letters (2020). DOI: 10.1063/1.5130635
