В обычных пассивных системах взаимодействия носят взаимный характер. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие существует равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Проще говоря, когда один объект воздействует силой на другой, второй объект в ответ воздействует равной и противоположно направленной силой. Исследователи из Токийского научного университета нарушили эту симметрию, рассказывает IE.

Они использовали в эксперименте полистирольные коллоидные частицы двух размеров — радиусом 1 и 1,5 микрона — и поместили их в воду между прозрачными электродами. Под действием переменного электрического поля частицы вели себя по-разному в зависимости от диаметра. Более крупные частицы притягивали к себе более мелкие сильнее, чем наоборот. Неподвижные до этого частицы спонтанно формировали асимметричные пары с четко выраженной передней и задней стороной и двигались как единое целое через жидкость.

«Наша система представляет собой экспериментально контролируемый пример невзаимной многочастичной физики, в которой нарушение симметрии действия и противодействия порождает коллективные явления», — пояснил Ютака Сумино, один из руководителей научной группы.

По мере увеличения их количества пары начали объединяться в кластеры. Эти кластеры не просто росли, как обычно, а все время перестраивались, разделялись и собирались заново. Движущиеся пары внутри кластеров создавали постоянную динамику, которая не давала системе застыть в кристаллической решетке.

Численное моделирование воспроизвело экспериментальные результаты и показало, что невзаимное движение пар является минимальным механизмом, необходимым для поддержания необычной динамики кластеров.

Авторы отмечают, что аналогичные несимметричные взаимодействия могут встречаться в биологических системах — например, в клеточных колониях или группах животных, где отдельные особи взаимодействуют не равноправно. Кроме того, управляемые невзаимные системы могут лечь в основу программируемых материалов и микророботов, которые будут самоорганизоваться и двигаться без внешнего управления.

Команда ученых из США обнаружила, что при экстремально высоких скоростях деформации металлы с более мелкими зернами, или микроскопическими кристаллитами, становятся мягче, а не тверже. Этот вывод противоречит классическому закону Холла — Петча, который на протяжении 70 лет учил, что уменьшение размера зерна всегда делает металл прочнее.