Nature子刊：磁场驱动的微小涡旋可能实现微粒移动，实现自组装和微加工

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“绿野仙踪”中有一个情节，龙卷风卷起了多萝西的房子，并把它移到很远的地方。我们潜意识中认为这种情况是不可能发生的。但是能源部阿贡国家实验室的科学家们认为，在小尺度领域，可以利用微小的涡旋来移动微小的粒子。

总有一天这些漩涡技术会用在芯片级的实验设备上，用来将粒子(如血细胞)从一个地方移动到另一个地方，或者制造出具有自愈特性的材料。

然而，科学家在利用微小的漩涡之前，需要了解它们的成分即胶体粒子的形成机理和发挥作用的基本原理。能源部阿贡国家实验室的物理学家斯内日科（Alexey Snezhko）和科科特 （Gasper Kokot）博士后通过将一组微型金属磁棒暴露在不同的磁场中，得到不同的漩涡来验证他们自己的猜想。

斯内日科表示：“物质转移是一个深远的目标，但我们正在着手第一步，弄清楚基本的原理。我们做这些实验是为了寻找一种新的存在非平衡态的活性物质。”

两人在6月14日的“自然通讯”杂志上发表了他们的新发现。

研究人员在首次系列试验中，将大约100个微小的棒状或球状磁性镍置于一个暴露在单轴磁场环境的水基体中，然后施加一个方向变换的磁场。

斯内日科解释说：“实验中我们用磁场传递能量，而每个粒子的行为就像一个小指南针。”

磁性镍棒在单向磁场中表现的就好像它们确实是指南针的一部分一样，但当它们暴露在方向每秒变换60次的磁场中时，反而成群结队地聚集在一起形成漩涡。

实验中使用的水基质允许漩涡自由运动，研究人员在水基质中研究旋涡的自然行为。当磁性金属棒暴露在变换磁场中时，其中的粒子也会发生翻转并开始滚动。

能源部阿贡国家实验室的研究人员怀疑，这些磁性粒子实际上可以通过类似鸟类的方式相互交流，以避免在飞行中发生碰撞。图片来源：阿贡国家实验室

科科特表示：“这是目前唯一已知的具备该特性的系统。在该系统中，我们看到了一种具有群集行为的滚动和自组织行为。这些粒子像鸟群一样集体行动。”

当粒子聚集在一起时会自发地形成漩涡，但涡旋也有一些无规律的特性，比如莫名其妙地切换方向。他们在研究中发现，涡旋平均每160分钟变换一次旋转方向。

科科特说：“我们想知道它为什么会切换方向，控制着切换速度的因素是什么。因为只有我们控制这种关键因素，我们才有可能发掘该发现的应用价值。”

这些磁性粒子实际上可以通过类似鸟类的方式相互交流，以避免在飞行中发生碰撞。希望科学家们能够利用这些发现在微观尺寸中开发出自组装和运输的结构。

在科学家们完全理解或者说能够控制漩涡之前，还有很多研究要做。但是斯内日科表示：“他认为，它们最终可以像镊子一样被人类使用，在液体基质中移动非金属粒子。”

他说：“这个漩涡通过液体与粒子发生相互作用，可以捕获粒子并移动它。”

科科特解释说，这不是一个十分优秀的解决方案。被运输的粒子的尺寸必须合适。如果尺寸太小，它们就会被整合到漩涡中，并减缓旋涡的速度。如果尺寸太大，就会摧毁漩涡。旋涡核心只能捕获大小合适的粒子并携带着他们一起运动。斯内日科补充说：“也有可能使用粒子先将漩涡固定在适当的位置，然后在那里容纳或捕获流过的粒子。”

斯内日科解释说：“如果我们能够对这些漩涡进行更好的控制时，就可以利用它们捕获特定目标并将其移动到水面上。现在，我们可以捕捉到单个粒子，但我们不能引导它移动。所以，应该考虑使用一种更可控的方式实现移动粒子。”

目前，研究人员继续对一系列不同类型的磁场进行实验，以了解微型金属磁棒在不同环境下的响应情况。他们期望发现新的、也许更复杂的响应和控制类型。