Исследователи из Университета Райса обнаружили, что крошечные магнитные частицы, которые управляются вращающимся магнитным полем, спонтанно образуют потоки вдоль краев своих скоплений, и этот феномен подчиняется законам топологической физики — области науки, которая неразрывно связана с квантовыми компьютерами и инновационными материалами.
В ходе экспериментов команда использовала суперапарамагнитные коллоиды — это частицы, примерно в сто раз меньше песчинки, — помещенные в соленую воду. При воздействии вращающегося магнитного поля частицы начинали собираться в кристаллические структуры, принимая разные формы: от плотных круглых кластеров до испещренных отверстиями плоских «листов». Самое необычное поведение частиц наблюдалось на краях этих форм — там они двигались быстрее, образуя как бы «конвейер» вдоль их границ. Это явление исследователи назвали «краевым потоком».
Особенно поразило ученых то, что подобные потоки возникали спонтанно, без внешнего вмешательства. Объяснение этому они нашли в топологической физике — подходе, в котором ключевую роль играет не столько точное положение элементов, сколько общая форма системы. Подобно тому как движение транспорта определяется дорожными знаками и схемой маршрутов, а не ямами и пробками, в топологических системах поведение частиц задается структурой в целом, а не мелкими колебаниями или помехами.
В небольших кластерах краевые частицы двигались синхронно, заставляя всю структуру вращаться, словно колесо. А вот в более крупных плоских образованиях-листах с пустотами, хотя краевой поток сохранялся, вращения не возникало — окружающий материал ограничивал движение, и энергия распределялась внутрь структуры. Это влияло и на поведение всей системы: кластеры могли объединяться и менять форму всего за несколько минут, тогда как крупные структуры с пустотами были значительно медлительнее и инертнее.
Такие наблюдения лишь на первый взгляд кажутся исключительно научным курьезом, но на деле могут иметь большое прикладное значение. Способность управлять движением и самоорганизацией частиц в плотной и хаотичной среде открывает путь к созданию умных материалов с широким спектром функций — от точечной доставки лекарств до адаптивных поверхностей и микророботов. Сами исследователи подчеркивают, что обнаруженное ими явление позволит направлять коллективное поведение систем с помощью базовых физических принципов, без необходимости в вычислениях или программировании.
Более того, аналогичные процессы могут происходить и в живых организмах. Например, во время заживления ран или эмбрионального развития клетки тоже образуют вращающиеся кластеры. Это дает основания полагать, что схожие топологические законы действуют и внутри биологических систем.
По словам руководителя исследования Эвелин Тан, красота науки заключается в способности видеть универсальные принципы в самых разных проявлениях — от абстрактной математики до поведения частиц в пробирке. Открытие «краевого потока» в микромасштабе стало очередным доказательством того, что природа умеет следовать элегантным и универсальным законам, которые проявляются даже там, где мы их меньше всего ожидаем.
Ранее международной команде ученых удалось создать не одного, а целую систему из миниатюрных роботов, которые, находясь вместе, начинают вести себя не как отдельные устройства, а как единый материал.