Et nyt materiale til at afdække mysterier om magnetiske felter

På rejse til jordens centrum, a la Jules Verne, kommer ikke til at ske snart. Et nyt materiale lavet af flydende metal og magnetiske partikler, imidlertid, kunne gøre det meget lettere for forskere at genskabe de stærke kræfter i planetens kerne.

"Vi kan potentielt gengive nogle af de fænomener, der ses i planeter og stjerner med dette materiale, " sagde Eric Brown, assisterende professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Yale og seniorforfatter til en undersøgelse offentliggjort 30. januar i tidsskriftet Fysisk gennemgangsvæske .

Det nye materiale er lavet af en legering af indium og gallium (eGaIn) med forskellige partikler suspenderet i det. Når det flyder, dets evne til at generere eller modificere magnetiske felter er op til fem gange større end rent flydende metals. At, sammen med en betydelig stigning i elektrisk ledningsevne, betyder, at forskere kan bruge materialet til at studere virkningerne af magnetohydrodynamik (MHD) - de magnetiske egenskaber af ledende væsker, der normalt kun kan observeres i kernerne af planeter og stjerner.

En udfordring ved at suspendere partikler i flydende metaller er, at luften oxiderer metallernes hud, holde partikler på overfladen. Forskerne kom uden om dette ved at nedsænke det flydende metal i en sur opløsning, som fjerner og forhindrer oxidation.

"Vi formåede at suspendere næsten alt, hvad vi ønskede - stål, zink, nikkel, jern – stort set alt med en ledningsevne, der er højere end eGaIn'ens, " sagde Florian Carle, en postdoc associeret i Yale's Department of Mechanical Engineering &Materials Science, og hovedforfatter af papiret.

Opdagelsen kan have fordele for geofysikken, astrofysik, og andre felter, der udforsker dynamikken i Jordens magnetfelt, som genereres af det flydende metal, der strømmer i kernen. Dette magnetiske felt skaber en elektrisk strøm inde i Jorden og blokerer stråling fra rummet. I betragtning af det brede udvalg af materialets potentielle anvendelser, forskerne udviklede en detaljeret protokol for at sikre, at andre laboratorier kunne gengive deres resultater.

En potentiel anvendelse af materialet er at studere magnetiske polflip, når Jordens nord- og sydpol vender. Det sker ikke ofte - i gennemsnit, vendinger forekommer en gang hvert par hundrede tusinde år - men virkningerne af den geomagnetiske kontakt kan være ødelæggende ved midlertidigt at løfte barrieren, der skærmer stråling fra rummet. Nogle videnskabsmænd mener, at disse flip har forårsaget en række udryddelse af arter på Jorden.

Med materialet, Carle sagde, forskere kan "skabe en mindre Jord" og udforske disse fænomener og potentielt komme med bedre forudsigelser om polvendinger og andre effekter af magnetfeltet. Forsøg på at genskabe Jordens magnetfelt er blevet forsøgt i andre laboratorier, men med begrænset succes. De fleste involverer brug af højeksplosivt flydende natrium, hvilket kræver meget store modeller.

"Folk har prøvet disse store strømningskamre så store som tre meter på tværs, fyldt med flydende natrium og snurrer rundt som en miniaturejord, " sagde Brown.

Med det materiale, som Yale-forskerne har udviklet, videnskabsmænd kan potentielt skabe modeller så små som 20 kvadratcentimeter for at genskabe fænomenerne magnetiske felter. Udover at være meget nemmere at arbejde med, materialet giver brugerne mulighed for at justere dets viskositet og niveauer af magnetisme, så de passer bedre til deres egen forskning og applikationer.

"Så de kan se resultater, som du ikke kunne få med flydende natrium, eller endda observere helt andre MHD-fænomener, sagde Carle.

Fordi disse effekter kan skabes i så lille en skala, materialet kan også føre til skabelsen af ​​nye enheder. "Du kan forestille dig, at folk kommer med applikationer, der bruger disse MHD-fænomener i laboratorier og industrielle omgivelser, " sagde Brown.