Ερευνητές από το Tokyo University of Science απέδειξαν ότι περισσότερα από 10.000 μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν να παρουσιάζουν συλλογική, διαρκή κίνηση όταν οι μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις παραβιάζουν τη συμμετρία δράσης-αντίδρασης.
Το φαινόμενο παρατηρήθηκε σε ένα κολλοειδές σύστημα, όπου σωματίδια διαφορετικού μεγέθους σχημάτιζαν δυναμικά ζεύγη και μεγαλύτερες συστάδες. Αντί όμως οι συστάδες να ενώνονται σταδιακά σε συμπαγείς σχηματισμούς, διασπώνταν, αναδιοργανώνονταν και σχηματίζονταν ξανά.
Ένα σύστημα που κινείται με ηλεκτρικό πεδίο
Η ερευνητική ομάδα, υπό τον καθηγητή Yutaka Sumino και τον επίκουρο καθηγητή Kiwamu Yoshii, χρησιμοποίησε σφαιρικά σωματίδια πολυστυρενίου με ακτίνες 1 και 1,5 μικρομέτρων, τα οποία αιωρούνταν σε νερό ανάμεσα σε διαφανή ηλεκτρόδια επικαλυμμένα με οξείδιο του ινδίου-κασσιτέρου.
Όταν εφαρμοζόταν εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο, δημιουργούνταν ηλεκτροϋδροδυναμικές ροές γύρω από τα σωματίδια. Οι μεγαλύτεροι κόκκοι δημιουργούσαν ισχυρότερες ροές από τους μικρότερους, με αποτέλεσμα η έλξη μεταξύ τους να μην είναι αμοιβαία ίση.
Έτσι, τα μεγαλύτερα σωματίδια προσέλκυαν τα μικρότερα ισχυρότερα από ό,τι τα μικρότερα τα μεγαλύτερα, δημιουργώντας μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις.
Ζεύγη που κινούνται και συστάδες που διασπώνται
Τα σωματίδια διαφορετικού μεγέθους σχημάτιζαν αυθόρμητα ασύμμετρα ζεύγη με σαφή «μπροστινή» και «πίσω» πλευρά. Τα ζεύγη αυτά λειτουργούσαν σαν αυτοκινούμενες μονάδες, κινούμενα μέσα στο υγρό, παρότι κανένα μεμονωμένο σωματίδιο δεν μπορούσε να κινηθεί αυτόνομα.
Καθώς δημιουργούνταν περισσότερα ζεύγη, αυτά συγκεντρώνονταν σε μεγαλύτερες συστάδες. Οι συστάδες όμως δεν εξελίσσονταν σε τεράστιους στατικούς σχηματισμούς. Αντίθετα, διασπώνταν επανειλημμένα, αναδιοργανώνονταν και σχημάτιζαν νέες δομές.
Σε αντίθεση, όταν χρησιμοποιούνταν σωματίδια ίδιου μεγέθους, οι αλληλεπιδράσεις ήταν αμοιβαίες και το σύστημα οδηγούνταν σταδιακά στον σχηματισμό στατικών κρυσταλλικών συσσωματωμάτων.
Μια διαφορετική μορφή συλλογικής τάξης
Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν τα πειραματικά αποτελέσματα και με αριθμητικές προσομοιώσεις. Τα μοντέλα έδειξαν ότι η κίνηση των ζευγών μέσω μη αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων αποτελεί τον βασικό μηχανισμό που διατηρεί τη δυναμική των συστάδων.
Το φαινόμενο παρουσιάζει ενδιαφέρον και πέρα από τα κολλοειδή συστήματα, καθώς παρόμοιες μη αμοιβαίες αλληλεπιδράσεις θεωρείται ότι μπορούν να εμφανίζονται σε βιολογικά συστήματα, όπως αποικίες κυττάρων και ομάδες ζώων.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters, προσφέρει ένα ελεγχόμενο πειραματικό πλαίσιο για τη μελέτη της μη αμοιβαιότητας σε μεγάλα συστήματα σωματιδίων και ενδέχεται μελλοντικά να συμβάλει στην ανάπτυξη προγραμματιζόμενων υλικών και μικρορομποτικών συστημάτων.
Το βασικό εύρημα είναι ότι η παραβίαση της συμμετρίας δράσης-αντίδρασης μπορεί να εμποδίσει τη δημιουργία στατικών συσσωματωμάτων και να οδηγήσει την ύλη σε μια διαρκώς μεταβαλλόμενη, δυναμική κατάσταση.