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Light-Driven Hovering of a Magnetic Microswarm in Fluid

龙卷风 群体行为 磁场 计算机科学 振荡(细胞信号) 纳米技术 材料科学 航空航天工程 模拟 物理 工程类 人工智能 化学 气象学 生物化学 量子力学
作者
Fengtong Ji,Dongdong Jin,Ben Wang,Li Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 6990-6998 被引量:80
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c01464
摘要

Swarm behaviors are nature's strategies for performing cooperative work, and extensive research has been aimed at emulating these strategies in engineering systems. However, the implementation of vertical motion and construction of a 3D structure are still challenging. Herein, we propose a simple strategy for creating a hybrid-driven paramagnetic tornado-like microswarm in an aqueous solution by integrating the use of a magnetic field and light. The precession of a magnetic field results in in-plane rotation, and light promotes the conversion of a planar microswarm to a microswarm tornado, thus realizing the transition from 2D to 3D patterns. This 3D microswarm is capable of performing reversible, vertical mass transportation. The reconfigurable collective behavior of the swarm from 2D to 3D motion consists of rising, hovering, oscillation, and landing stages. Moreover, this 3D tornado-like microswarm is capable of controlling the chemical reaction rate of the liquid in which it is deployed, for example, the degradation of methylene blue. The experimental results unveil that the tornado-like microswarm can enhance the overall degradation while holding the reactant nearby and inside it because of the flow difference between near and far regions of the microswarm tornado. Furthermore, by applying an oscillating magnetic field, the 3D microswarm can process the trapped methylene blue for on-demand degradation. The microswarm tornado is demonstrated to provide a method for collective vertical transportation and inspire ideas for mimicking 3D swarm behaviors in order to apply the functional performance to biomedical, catalytic, and micro-/nanoengineering applications.
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