Bir kuş sürüsünün mükemmel bir şekilde hareket ettiğini veya görülen dalgalanmaların bir gölet boyunca hareket ettiğini izlediyseniz, doğanın hareket koordinasyon yeteneğine tanık oldunuz. Son zamanlarda, Rice Üniversitesi’ndeki bir bilim adamı ve mühendis ekibi, mikroskobik ölçekte benzer bir fenomen keşfetti, burada dönen tarlalar tarafından yönlendirilen küçük manyetik parçacıklar, beklenmedik bir fizik dalının kurallarını izleyen görünmez “kenar akımları” tarafından yönlendirilen kümelerin kenarları boyunca hareket etti.
Araştırma dergide yayınlandı Fiziksel İnceleme Araştırması.
Fizik ve astronomi yardımcı profesörü Evelyn Tang, “İlk verileri – kenarlar boyunca ortadan daha hızlı hareket eden parçacık akışlarıyla – ‘bunlar kenar akışları’ dedim ve bunu keşfetmek için çalıştık.” Dedi. “Çok heyecan verici olan, kuantum bilgisayarlar ve egzotik materyaller nedeniyle öne çıkan bir alan olan topolojik fizikten gelen fikirleri kullanarak ortaya çıkmalarını açıklayabilmemizdir.”
Deneylerinde ekip, süperparamanyetik kolloidleri askıya aldı – tuzlu suda küçük manyetik boncukları bir kumdan yaklaşık yüz kat daha küçük düşünün. Daha sonra, parçacıkların farklı şekillerde kristaller oluşturmasına neden olan dönen bir manyetik alan uyguladılar: bazen yoğun dairesel kümeler oluşturdular ve diğer zamanlarda boş delikler veya “boşluklar” ile yapraklara yayıldılar.
Bu şekillerin dış kenarları boyunca parçacıklar diğerlerinden daha hızlı hareket etmeye başladığında deney özellikle ilginçleşti ve sınırın etrafında bir tür konveyör bant oluşturdu.
Tang’ın laboratuvarında eski doktora sonrası bir adam olan ilk yazar Aleksandra Nelson, “Bu Edge Flow diyoruz” dedi. “Temel olarak, kimsenin itmeden sınırın etrafında doğal olarak oluşan bir akım.”
Bunun neden meydana geldiğini anlamak için, araştırmacılar topolojik fizik adı verilen bir şeye dönüştü, bu da hareketin veya davranışın kesin detaylardan ziyade genel şekil veya düzen tarafından kontrol edildiği sistemleri tanımlamanın bir yoludur.
Kimya Mühendisliği alanında William M. McCardell Profesörü Sibani Lisa Biswal, “Topoloji trafik akışını belirleyen otoyol işaretleri gibidir.” Dedi. “İnşaat veya çukurlar olsa bile, trafik hala aynı şekilde akar, çünkü rota sistemin şekli ile ayarlanır. Topoloji budur – dağınık veya gürültülü koşullarda bile dayanan rules.”
Bu durumda, “kurallar”, dönen manyetik parçacıkların oluşturdukları şeklin kenarları boyunca hareket yaratacağını tahmin etti – ister bir küme ister boşluk olsun. Ve ekip tam olarak mikroskop altında gözlemledi.
İlginç bir şekilde, hareket türü şekle bağlıydı. Parçacıklar serbest yüzen kümeler oluşturduğunda, kenar akışı tüm kümenin küçük bir tekerlek gibi dönmesine neden oldu. Ancak parçacıklar boşluklarla daha büyük tabakalar oluşturduğunda, kenarların hala hareketi vardı, ancak genel yapı dönmedi.
Tang, bu fenomenin gerçekleştiğini açıkladı çünkü kümelerde parçacıklar bir daire içinde dansçılar gibi bir araya gelmekte özgürdü. Ancak boşluklu çarşaflarda, çevredeki malzeme onları yerinde tuttu, bu nedenle kenar hareketi dönme yerine içe yayılmak zorunda kaldı. Bu fark, tüm sistemin ne kadar hızlı yeniden düzenlendiğini de değiştirdi. Kümeler şekli değiştirebilir ve dakikalar içinde birleşebilirken, boşluklu tabakalar çok daha uzun sürdü.
Parçacıkların kendilerini nasıl hareket ettirdiğini ve organize ettiğini kontrol etme yeteneği, niş bir keşif gibi görünebilir, ancak geniş etkileri vardır. Kalabalık, dinamik sistemlerde hareketin nasıl yönlendirileceğini anlamak, hedeflenen ilaç dağıtım, uyarlanabilir yüzeyler veya mikropların sürüleri gibi duyarlı malzemelerin tasarımını bilgilendirebilir.
Biswal’ın laboratuvarında yeni mezun olan ilk yazar Dana Lobmeyer, “Kolektif davranışları basit fiziksel ilkeleri kullanarak nasıl kontrol edeceğimizi öğreniyoruz.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu, bir bilgisayara veya talimatlara ihtiyaç duymadan çevrelerini algılayabilecek ve akıllıca yanıt verebilecek materyaller yaratmaya yönelik bir adımdır.”
Deneyler sentetik parçacıklar kullanılmasına rağmen, ekip biyolojide de paralellikler görüyor. Birçok hücre kümesi gelişim veya iyileşme sırasında döner ve benzer fiziksel prensiplerin canlı organizmaların içinde iş başında olma olasılığını artırır.
“Bu bilimin güzelliği,” dedi Tang. Diyerek şöyle devam etti: “Temel matematik ve istatistiksel fizikten günlük materyallere uygulamak için bir kavram alıyoruz. Aynı zarif kuralların yandaki laboratuvarda ortaya çıkabileceğini hatırlatıyor.”
