Inventatorii secolelor trecute şi oamenii de știință contemporani au găsit modalități ingenioase de a ne face viaţa mai bună cu ajutorul magneților — începând cu acul magnetic din busolă, dispozitivele magnetice de stocare a datelor şi terminând cu aparatele de scanare a corpului IRM (Imagistică prin Rezonanţă Magnetică).
Toate aceste tehnologii se bazează pe magneții realizați din materiale solide.
Dar ce dacă ar fi fost posibil de creat un dispozitiv magnetic din lichide?
Folosind o imprimantă 3D modificată, o echipă de oameni de știință de la Laboratorul Berkeley au realizat deja acest lucru.
Constatările lor, publicate pe 19 iulie în revista Science, ar putea duce la o clasă revoluționară de dispozitive lichide imprimate cu o diverse aplicații, de la celule artificiale ce vor livra terapii de cancer vizate, la roboți lichizi flexibili care își pot schimba forma pentru a se adapta la împrejurimile lor.
„Noi am făcut un material nou, care este atât lichid, cât şi magnetic.
Un lucru ce nu a fost observat de nimeni anterior”, a declarat Tom Russell (en), un om de știință, ce a condus studiul, invitat la laboratorul Berkley şi profesor de științe polimerice și inginerie de la Universitatea din Massachusetts, Amherst.
„Aceasta deschide uşa unui nou domeniu în ştiinţa materiei moi”
Vedeţi şi: Oficial deja: Cristalele de timp sunt o nouă stare a materiei
Sesiuni de improvizare: crearea de magneţi din lichide
Ultimii șapte ani, Russell, ce conduce un program intitulat Adaptive Interfacial Assemblies Towards Liquids Structuring (ansambluri adaptive interfaciale spre structurarea lichidelor) la Departamentul de Știință a Materialelor a Laboratorului Berkley, s-a concentrat pe dezvoltarea unei noi clase de materiale 3D imprimabile de materiale total lichide.
Într-o zi, Russell şi autorul principal al studiului, Xubo Liu, au venit cu ideea formării de structuri lichide din ferofluide, soluții de particule de oxid de fier ce devin puternic magnetice, dar numai în prezenţa unui alt magnetic.
Vedeţi şi: Cercetătorii au descoperit “Particula Înger” care este materie şi anti-materie în acelaşi timp
„Noi ne-am pus întrebarea, dacă un ferofluid poate deveni temporar magnetic, ce am putea face pentru al transforma în unul permanent magnetic şi să-l facem să se comporte ca un magnet solid, dar să arate şi să fie considerat lichid?”, a spus Russell (en).
Pentru a afla acest lucru, Russell şi Liu — un cercetător student absolvent de la Departamentul de Ştiinţe a Materiei din cadrul Laboratorului Berkley şi student-doctorand al Universității de Tehnologie Chimică din Beijing — au folosit o tehnică de imprimare 3D, ce au dezvoltat-o cu fostul cercetător postdoctoral Joe Forth, din cadrul aceluiași departament, pentru a imprima picături de 1 milimetru dintr-o soluție ferofluidă ce conținea nanoparticule de oxid de fier cu diametrul de numai 20 nanometri (dimensiunea medie a unei proteine anticorp).
Folosind chimia suprafețelor şi tehnici de microscopie sofisticate de forță atomică, co-autorii Paul Ashby şi Brett Helms de la Berkley Lab au dezvăluit că nanoparticulele au format o cochilie similar cu cea solidă la interfața dintre cele două lichide, datorită unui fenomen numit „comprimare interfacială” (interfacial jamming).
Acest fenomen face ca nanoparticulele să se aglomereze la suprafața picăturii, „similar cu pereţii ce se împreunează într-o cameră mică ticsită cu oameni”, a spus Russell (en).
Pentru a le face magnetice, oamenii de știință au plasat picăturile cu o bobină magnetică în soluție.
După cum era de așteptat, bobina magnetică a atras nanoparticulele e oxid de fier spre ea.
Dar când ei au înlăturat bobina magnetică, s-a întâmplat ceva neașteptat.
Picăturile cilindrice au fost plasate într-un ulei cu aceeași densitate, astfel încât ele devin flotante şi apoi plasate pe un agitator magnetic.
Odată magnetizate, ele se comportă ca nişte magneţi solizi plutitori, ce se rotesc şi dansează unul cu altul.
O picătură mică de soluţie de colorant a fost adăugată la ulei pentru a urmări curgerea câmpului magnetic din jurul picăturilor lichide feromagnetice rotative.
Videoul este înregistrat cu vedere de sus şi redat în timp real.
Volumul lichidului picăturilor feromagnetice este de 2μL, iar lungimea cilindrului este de 2 mm.
La fel ca înotătorii sincronizați, picăturile gravitează una spre alta într-un unison perfect, formând un vârtej elegant.
„Ca niște picături în dans”, a spus Liu (en).
Cumva, aceste picături au devenit permanent magnetice.
„Noi aproape nu am putut să credem ochilor”, a spus Russell (en).
„Până la studiul nostru, oamenii au presupus întotdeauna că magneţii permanenţi pot fi făcuţi numai din solide”.
Măsură după măsură,el mai rămânea magnet
Toţi magneții, indiferent de cât de mari sau mici sunt, au un pol nord şi un pol sud.
Polii opuși se atrag unul pe altul, în timp ce aceeași poli se resping.
Prin măsurători de magnetometru, oamenii de știință au descoperit că atunci când au plasat un câmp magnetic printr-o picătură, toți polii nord-sud, începând cu cele 70 de miliarde de nanoparticule de oxid de fier ce pluteau în ea, până la cele 1 miliard de nanoparticule de la suprafața ei, au răspuns în unison, asemeni unui magnet solid.
Cheia acestei descoperiri au fost nanoparticulele de oxid de fier ce s-au îngrămădit strâns la suprafaţa picăturii.
La o distanţă de doar 8 nm între fiecare din cele un miliard de nanoparticule, s-a format o suprafaţă solidă în jurul fiecărei picături lichid.
Cumva, atunci când aceste nanoparticulele îngrămădite la suprafaţă sunt magnetizate, ele transferă această orientare magnetică şi particulelor ce înoată în interior şi întreaga picătură devine permanent magnetică, la fel ca un solid, au explicat Russell şi Liu.
De asemenea, cercetătorii au mai descoperit că proprietățile magnetice ale picăturilor s-au păstrat, chiar şi atunci când le-au divizat în picături mai mici, mai subțiri, aproximativ ca firul părului de om, a adăugat Russell.
Vedeţi şi: O nouă proprietate a luminii descoperită
Printre multele calități uimitoare ale picăturilor magnetice, una mai marcantă este ceea că ele îşi schimbă forma pentru a se adapta mediului înconjurător, a mai remarcat Russell (en).
Ele au capacitatea de a se transforma de la o formă de sferă la una de cilindru, la una de clătită sau la una de tub subțire ca un fir de păr, sau chiar până la forma unei caracatițe — fără a-și pierde proprietățile magnetice.
De asemenea, picăturile pot fi reglate pentru a le comuta între modul magnetic şi nonmagnetic.
Şi când modul magnetic este pornit, mișcările lor pot fi controlate de la distanţă în corespundere cu indicațiile unui magnet extern, a adăugat Russel.
Liu şi Russel vor continua cercetarea la laboratorul Berkeley şi alte laboratoare naționale.
Ei intenționează să dezvolte structuri lichide magnetice 3D imprimate şi mai complexe.
Şi anume astfel de structuri ca, celulă artificială imprimată-lichid sau robotică miniaturală ce se mișcă ca o elice mică pentru livrarea neinvazivă, dar orientată, a terapiilor cu medicamente la celulele bolnave.
„Ceea ce a început ca o observație curioasă a ajuns să deschidă un nou domeniu al științei”, a spus Liu.
„Este ceva la ce visează toţi cercetătorii tineri şi eu am avut noroc să lucrez cu un grup ştiinţific remarcabil, susținuți de facilităţile de clasă mondială a Berkeley Lab, pentru a face acesta realitate”, a spus Liu (en).
Lasă un răspuns