Ученые из Университета Райса обнаружили нечто похожее в микромире: крошечные магнитные частицы, подчиняясь вращающемуся полю, вдруг начинают двигаться по краям скоплений, образуя невидимые «краевые потоки». Эти процессы подчиняются законам топологической физики — области науки, которая раньше изучала квантовые компьютеры и необычные материалы.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Research.

Когда я впервые увидела данные — частицы по краям двигались быстрее, чем в центре, — я сразу поняла: это краевые потоки! — рассказывает Эвелин Танг, руководитель исследования.

В эксперименте использовали магнитные частицы размером в сотни раз меньше песчинки, помещенные в соленую воду. При включении вращающегося магнитного поля они собирались в упорядоченные структуры — то плотные круги, то решетки с пустотами. Но самое интересное началось, когда частицы по краям стали двигаться быстрее, словно конвейерная лента.

Этот поток возникает сам по себе, без внешнего воздействия, — поясняет соавтор работы Александра Нельсон.

Ученые объяснили феномен с помощью топологии — науки о свойствах систем, которые не меняются, даже если объекты деформируются. Представьте дорожные знаки: как бы ни петляла трасса, правила движения остаются неизменными. Так и здесь: вращающееся поле задавало «правила», а частицы им подчинялись.

Вот что наблюдали под микроскопом:

• Если частицы собирались в свободный кластер, весь он начинал вращаться, как колесо.
• Если образовывалась решетка с дырами, краевые потоки не закручивали структуру, а распространялись внутрь.

Кластеры меняли форму за минуты, а решетки — гораздо медленнее.

Это открытие может пригодиться не только в фундаментальной науке. Представьте материалы, которые сами адаптируются к условиям, или микроскопических роботов, движущихся согласованно без сложных алгоритмов. А может, подобные процессы происходят и в живых клетках?

Красота науки в том, что абстрактные математические идеи вдруг оказываются полезными в самых обычных экспериментах, — говорит Танг.

Этот эксперимент — шаг к управляемым самоорганизующимся системам. Если мы поймем, как заставить частицы двигаться по заданным траекториям без внешнего контроля, это откроет дорогу к:

• Адресной доставке лекарств — наночастицы смогут целенаправленно собираться в нужной зоне.
• Адаптивным покрытиям — материалы, меняющие свойства в ответ на среду (например, самоочищающиеся поверхности).
• Микророботам — рои микроскопических устройств, действующих согласованно, как стая птиц.

Кроме того, аналогичные процессы могут происходить в биологии — например, при формировании тканей или движении клеток во время заживления ран.

Однако эксперимент проводился в идеализированных условиях: магнитные частицы в соленой воде под строго контролируемым полем. В реальных системах — например, в живых тканях или промышленных материалах — слишком много переменных (температура, примеси, неоднородности). Пока неясно, насколько устойчивы эти «краевые потоки» в хаотичной среде.

Ранее ученые освоили левитацию мелких частиц.