Новые законы притяжения: ученые печатают магнитные капли жидкости

Все эти технологии основаны на использовании магнитов из твердых материалов. Но что, если бы вы могли сделать магнитное устройство из жидкостей?

С помощью модифицированного 3D-принтера команда ученых из лаборатории Беркли сделала именно это. Их результаты, которые будут опубликованы 19 июля в журнале Science, могут привести к созданию революционного класса жидких устройств для печати для самых разных применений – от искусственных клеток, которые доставляют целевые методы лечения рака, до гибких жидких роботов, которые могут изменять свою форму, чтобы адаптироваться к окружающей среде.

"Мы создали новый жидкий и магнитный материал. Никто раньше этого не наблюдал ", – сказал Том Рассел, приглашенный научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор полимерологии и инженерии Массачусетского университета в Амхерсте, который руководил исследованием. "Это открывает дверь в новую область науки в области магнитно-мягкой материи."
Джем-сейшн: изготовление магнитов из жидкости
В течение последних семи лет Рассел, возглавляющий программу под названием Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids в отделе материаловедения Berkeley Lab, сосредоточился на разработке нового класса материалов – полностью жидких структур для 3D-печати.

Однажды Рассел и первый автор настоящего исследования Сюбо Лю пришли к идее формирования жидких структур из феррожидкостей, растворов частиц оксида железа, которые становятся сильно магнитными, но только в присутствии другого магнита. "Мы задавались вопросом, может ли феррожидкость временно стать магнитной, что мы можем сделать, чтобы сделать ее постоянно магнитной и вести себя как твердый магнит, но при этом выглядеть и ощущаться как жидкость?"сказал Рассел.

Чтобы выяснить это, Рассел и Лю – аспирант-исследователь в отделении материаловедения лаборатории Беркли и докторант Пекинского химико-технологического университета – использовали технику 3D-печати, которую они разработали вместе с бывшим докторантом Джо Фортом в лаборатории Беркли. Отделение материаловедения для печати капель размером 1 миллиметр из раствора феррожидкости, содержащего наночастицы оксида железа диаметром всего 20 нанометров (средний размер белка антитела.)

Используя химию поверхности и сложные методы атомно-силовой микроскопии в Molecular Foundry, соавторы Пол Эшби и Бретт Хелмс из Berkeley Lab обнаружили, что наночастицы образуют твердую оболочку на границе раздела между двумя жидкостями в результате явления, называемого «межфазное заклинивание». «что заставляет наночастицы скапливаться на поверхности капли», как стены, сходящиеся вместе в маленькой комнате, забитой людьми », – сказал Рассел.
Чтобы сделать их магнитными, ученые поместили капли с помощью магнитной катушки в раствор. Как и ожидалось, магнитная катушка притягивала к себе наночастицы оксида железа.

Но когда сняли магнитную катушку, произошло нечто совершенно неожиданное.
Как и у синхронных пловцов, капли тяготели друг к другу в идеальном унисон, образуя элегантный водоворот. "Как маленькие танцующие капельки", – сказал Лю.

Каким-то образом эти капли стали постоянно магнитными. "Мы почти не могли поверить в это", – сказал Рассел. «До нашего исследования люди всегда предполагали, что постоянные магниты могут быть сделаны только из твердых тел."
По мерке, это все еще магнит
Все магниты, независимо от того, большие они или маленькие, имеют северный и южный полюсы.

Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются.
С помощью измерений магнитометрии ученые обнаружили, что когда они помещали магнитное поле на каплю, все полюса наночастиц с севера на юг, от 70 миллиардов наночастиц оксида железа, плавающих в капле, до 1 миллиарда наночастиц на поверхности капли. , ответили в унисон, как твердый магнит.

Ключом к этому открытию были наночастицы оксида железа, которые плотно прижались друг к другу на поверхности капли. Имея всего 8 нм между каждой из миллиарда наночастиц, вместе они создали твердую поверхность вокруг каждой капли жидкости. Каким-то образом, когда застрявшие на поверхности наночастицы намагничиваются, они передают эту магнитную ориентацию частицам, плавающим в ядре, и вся капля становится постоянно магнитной, как твердое тело, объяснили Рассел и Лю.

Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохраняются, даже если они разделяют каплю на более мелкие и более тонкие капли размером с человеческий волос, добавил Рассел.
Рассел отметил, что среди множества удивительных качеств магнитных капель еще больше выделяется то, что они меняют форму, чтобы адаптироваться к окружающей среде, превращаясь из сферы в цилиндр, в блин или трубку толщиной с прядь волос. или даже в форме осьминога – все без потери своих магнитных свойств.
Капли также можно настроить для переключения между магнитным режимом и немагнитным режимом.

А когда их магнитный режим включен, их движениями можно дистанционно управлять по указанию внешнего магнита, добавил Рассел.
Лю и Рассел планируют продолжить исследования в лаборатории Беркли и других национальных лабораториях для разработки еще более сложных 3D-печатных магнитных жидких структур, таких как искусственная ячейка, напечатанная жидкостью, или миниатюрная робототехника, которая движется как крошечный пропеллер для неинвазивной, но целенаправленной доставки. лекарственная терапия для больных клеток.
«То, что начиналось как любопытное наблюдение, привело к открытию новой области науки», – сказал Лю. «Это то, о чем мечтают все молодые исследователи, и мне посчастливилось поработать с большой группой ученых при поддержке пользователей мирового класса в лаборатории Беркли, чтобы воплотить это в реальность», – сказал Лю.
В исследовании также участвовали исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Круз, Калифорнийского университета в Беркли и WPI-Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) в Университете Тохоку.

Магнитометрические измерения были выполнены при содействии соавторов Питера Фишера, старшего научного сотрудника Отделения материаловедения лаборатории Беркли; Фрэнсис Хеллман, старший научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор физики Калифорнийского университета в Беркли; Роберт Штройбель, научный сотрудник лаборатории Беркли; Ноа Кент, аспирант-исследователь лаборатории Беркли и докторант Калифорнийского университета в Санта-Круз; и Алехандро Себальос, аспирант-исследователь лаборатории Беркли и докторант Калифорнийского университета в Беркли.
Другие авторы: Юфэн Цзян, аспирант-исследователь Отделения материаловедения лаборатории Беркли; Ю Чай и Пол Ким, постдокторанты из Molecular Foundry лаборатории Беркли; и Шаовей Ши и Донг Ван из Пекинского химико-технологического университета.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики и включала исследования в Molecular Foundry, научном учреждении Министерства энергетики США, специализирующемся на наноразмерных науках.

Оставьте комментарий