[論文レビュー] Stirrers and movers actuated by oscillating fields

Gabi Steinbach, Michael Schreiber+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2016

Micro and Nano Robotics参考文献 54被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、偏心配置の双極子モーメントを有する自己集合する磁性ヤヌス粒子のクラスター内における内部磁気的相互作用を活用することで、振動磁場下で構造的に不変なマイクロ粒子が方向性運動を達成できる、新規な駆動戦略を提示する。主な貢献は、双極子-双極子相互作用によって時間反転対称性を破ることにより、形状変形を伴わず運動を可能にしたことである。実験的に、ヘリカルまたは直線的経路に従う制御可能な移動体および攪拌装置としての動作が確認された。

ABSTRACT

Locomotion via cyclic moves presents a challenge to mesoscopic objects in overdamped environments, where time reversibility may prevent directed motion. Most reported cyclic movers exploit anisotropic drag to push themselves forward. Under an oscillating drive, however, anisotropic drag enables locomotion only if the objects can change their shape. Here, we present a strategy that unexpectedly enables structurally invariant objects to move under oscillating fields. The objects are self-assembled clusters of magnetic particles that exhibit an off-centered dipole moment. By theoretical modeling and in experiments with magnetic Janus particles, we demonstrate that the interaction between such anisotropic particles in the cluster breaks time reversibility. Experimentally, we show that the magnetic configuration of a cluster determines its motion path. We realize stirrers and steerable movers with helical or directed path using the same particle system. The presented strategy based on internal interactions establishes a counterpart to locomotion via anisotropic drag.

研究の動機と目的

• 低レイノルズ数の過減衰的・時間反転対称的環境において、方向性運動を達成する挑戦に応えること。
• 形状変形または異方的抵抗に依存する従来のサイクリック駆動方式の限界を克服すること。
• 構造的に不変なクラスター内における内部磁気的相互作用が、時間反転対称性を破り、ネットトランスレーションを可能にすることを示すこと。
• 流体力学的結合や構造的柔軟性に依存しない、振動磁場を用いたマイクロ粒子駆動戦略の開発と検証すること。
• 磁気的クラスター構成制御により、同一の粒子系でヘリカルまたは方向性経路をとる可変な運動経路を実現すること。

提案手法

• 偏心双極子モーメントを有するスライドドーピング粒子（sd粒子）の理論的モデル構築により、振動磁場下におけるトルクおよび力の相互作用を分析すること。
• 自己一貫的反復法を用いた回転運動方程式の数値的シミュレーション：$ f_{\rm{r}}\dot{\Theta} = \mathbf{m}\times\mathbf{B}^{\rm{p}} + \xi\hat{\mathbf{m}}\times((\mathbf{m}\cdot\nabla)\mathbf{B}^{\rm{p}}) + \mathbf{m}\times\mathbf{B}^{\rm{z}} $。
• 次元なし時間ステップおよび回転摩擦係数 $ f_{\rm{r}} = 100\,\frac{\mu_0 m^2}{32\pi r_{\rm{p}}^3} $ を用いて回転ダイナミクスをシミュレートすること。
• 2.27 μmのシリカ球に磁性Co/Pdマルチレイヤー膜を被膜し、垂直異方性を有する磁性ヤヌス粒子を形成する実験系。
• 光学顕微鏡および独自開発のハフ変換ベース画像解析法を用いて、印加された振動磁場および方向調整磁場下での2次元における粒子クラスター運動を追跡すること。
• 磁気的配置の調整によりクラスター運動を制御し、ヘリカル経路と方向性経路の間でのパス選択を可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性の制約がある中で、構造的に不変なマイクロ粒子が振動磁場下でも方向性運動を達成できるか？
• RQ2 自己集合クラスター内における内部磁気的双極子-双極子相互作用は、どのように時間反転対称性を破るか？
• RQ3 同一の粒子系が、攪拌装置的動作と制御可能な移動体的動作の両方の経路を生成できるか？
• RQ4 偏心配置の双極子モーメントは、振動磁場下で非可逆的運動を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ5 同一の外部磁場条件下で、クラスターの磁気的配置がその軌道に与える影響は何か？

主な発見

• 理論的モデルは、偏心双極子粒子のクラスター内における双極子-双極子相互作用が、振動磁場下で時間反転対称性を破り、形状変化なしにネットトランスレーションを可能にすることを確認した。
• 実験的観察により、磁性ヤヌス粒子クラスターが振動磁場下で方向性運動を示し、その運動経路が内部磁気的配置に依存することが確認された。
• 同一の粒子系を用いて、クラスターの磁気的整列を制御することで、ヘリカル運動および直線的運動経路を実験的に実現した。
• 運動は流体力学的結合や構造的変形ではなく、内部トルクによる磁気的相互作用によって駆動されている。
• 次元なしパラメータを用いた自己一貫的反復的解法により、回転ダイナミクスが正確にモデル化された。
• 本システムは、従来の異方的抵抗に基づく駆動と補完的な新規な駆動メカニズムを示し、人工マイクロモーターの設計可能性を拡張した。