Roboter mit Fraktionszwang

Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) haben nachgewiesen, dass sich Systeme entgegengesetzt rotierender makroskopischer Teilchen entmischen und homogene Fraktionen aus entweder rechts- oder links­drehenden Partikeln bilden. Für ihr Experiment verwendeten die Forscher Mini-Roboter, die im 3D-Druck hergestellt wurden.

Das Phänomen an sich ist bekannt: Biologische Organismen, etwa Bakterien, und künstliche aktive Partikel haben die Tendenz, sich zu Schwärmen und Mustern zu organisieren. Kaum erforscht hingegen ist, wie genau diese Selbstorganisation funktioniert und welche Kräfte dabei wirken. Experimente zur Dynamik mikroskopischer Partikel sind schwer durchzuführen, und auch Simulationen stoßen an ihre Grenzen, wenn grundlegende Wechsel­wirkungs­mechanismen noch unverstanden sind.

Physikern der FAU und der HHU ist es nun gelungen, die Selbstorganisation rotierender Partikel im Experiment zu beobachten. Dafür stellten sie kleine Roboter von etwa 1,5 Zentimetern Größe, die mit jeweils sieben geneigten Beinen ausgestattet sind, auf eine vibrierende Grundplatte. Die Beine wirken als elastische Federn und wandeln den Vibrationsimpuls in eine Rotations­bewegung um. Um Wechsel­wirkungen zu verstärken, wurden die im 3D-Drucker hergestellten Roboter mit vier kleinen Antennen versehen. Auf diese Weise verhalten sie sich wie Zahnräder, die ineinander­greifen. „Der Aufbau ist eigentlich simpel“, erklärt Thorsten Pöschel vom Institut für Multiscale Simulation of Particulate Systems der FAU. „In einem Ring haben wir jeweils 210 im und gegen den Uhr­zeiger­sinn drehende Rotoren vollständig gemischt wie ein Schach­brett­muster angeordnet. Dann haben wir den Vibrationstisch aktiviert und geschaut, was passiert.“

Das Ergebnis war auch für die Forscher überraschend: Bereits nach einer Minute waren einzelne Domänen klar zu erkennen, nach 15 Minuten hatten sich die Roboter beinahe vollständig entmischt. „Diese Segmentierung ist nicht intuitiv“, sagt Christian Scholz vom Institut für Theoretische Physik II der HHU. „Man hätte erwarten können, dass gerade entgegen­gesetzt rotierende Teilchen zusammen­bleiben, weil ihre Antennen sich nicht verhaken – ähnlich einer Kette rotierender Zahn­räder, die sich abwechselnd links- und rechtsherum drehen.“ Doch das Gegenteil ist der Fall: Rotoren mit identischem Drehsinn blockieren sich und bilden gemeinsame Fraktionen. Durch das Tracking der einzelnen Roboter konnten die Forscher außerdem super-diffusive Kantenströme beobachten: Partikel in der Nähe der Grenzflächen sind deutlich beweglicher sind als im Zentrum der Domänen.

Zahlreiche Wiederholungen zeigen, dass die Ergebnisse des Experiments sehr robust sind – nach der Vibrations­dauer von 1000 Sekunden hatten die Rotoren meist drei bis vier voneinander getrennte Domänen gebildet. In entsprechenden Simulations­läufen auf der Basis von Langevin-Gleichungen kommt es sogar stets zur vollständigen Entmischung in zwei Fraktionen. „Dass die Variationen in den Versuchs­läufen größer sind als in der Simulation, könnte auf Formfehler unserer 3D-gedruckten Rotoren und auf den Einfluss der Gravitation zurück­zuführen sein, weil wir den Vibrations­tisch nicht hundertprozentig waagerecht ausrichten können“, erklärt Michael Engel vom Institut für Multiscale Simulation of Particulate Systems der FAU.

Beide Verfahren – die Experimentalläufe mit physischen Rotoren ebenso wie die Langevin-Simulationen – sind hervorragend geeignet, die kollektive Dynamik und die Phasen­trennung rotierender Partikel zu beschreiben. Die Wissen­schaftler hoffen, damit einen Beitrag zur weiteren Erforschung aktiver weicher Materie und mikro­skopischer oder sogar molekularer Partikel leisten zu können.

FAU / DE