Små hvirvler drevet af magnetiske felter kan muligvis flytte mikroskopiske partikler

I Troldmanden fra Oz , en tornado samler Dorothys hus op og flytter det langt væk. Lidt langt ude, ret? Men forskere ved Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory mener, at i meget mindre skala, små hvirvler kunne en dag bruges til at flytte mikroskopiske partikler.

Hvirvlerne kunne en dag bruges i lab-on-a-chip designs til at flytte partikler, som blodlegemer, fra et sted til et andet, eller at bygge materialer med selvhelbredende egenskaber.

Før de kan udnytte de små hvirvler, selvom, videnskabsmænd skal forstå, hvordan deres komponenter, eller kolloide partikler, form og funktion. Ved at udsætte grupper af mikroskopiske magnetiske metalvalser for forskellige magnetfelter, Argonne-fysiker Alexey Snezhko og postdoc Gasper Kokot skaber deres egne hvirvler for at fremskynde denne forståelse.

"Transport af genstande er et vidtrækkende mål, men vi arbejder på de første skridt, som er at forstå de grundlæggende principper, " sagde Snezhko. "Vi gør dette som en søgen efter en ny slags aktivt materiale. Materialer, der er ude af ligevægt."

Parret offentliggjorde nylige resultater i 14. juni-udgaven af Naturkommunikation .

I deres første serie af tests, forskere satte omkring 100 små magnetiske nikkelvalser, eller kugler, i en vandmatrix udsat for et enkelt akse magnetfelt, efterfulgt af et vekslende magnetfelt.

"Hver partikel er som et lille kompas, " Snezhko forklarede. "Og vi bruger et magnetfelt til at overføre energi."

Inden for det enkelte magnetfelt, rullerne stillede op, som om de faktisk var en del af en kompasnål, men når de udsættes for et magnetfelt, der ændrede orientering 60 gange i sekundet, rullerne flokkedes i stedet sammen og dannede hvirvler.

I forsøgene, hvirvlerne fik lov til at bevæge sig frit i vandmatrixen, hvor forskere studerede deres naturlige adfærd. Når de udsættes for det svingende magnetfelt, partiklerne vendte også og begyndte at rulle.

"Dette er det eneste kendte system, hvor vi har set denne type rullende og selvorganisering med denne flokadfærd, " sagde Kokot. "Gruppen bevæger sig som én, ligesom en flok fugle."

Når partiklerne flokkes sammen, systemet danner spontant en hvirvel, men hvirvelen har også nogle mærkelige egenskaber, som uforklarligt skiftende retning. I deres undersøgelse, hvirvelen skiftede i gennemsnit rotationsretning en gang hvert 160. minut.

"Vi vil gerne vide, hvorfor det skifter, hvad der styrer omskiftningshastigheden, " udtrykte Kokot. "For hvis vi kan kontrollere det, vi kan begynde at tale om nytte."

Forskerne formoder, at de magnetiske partikler faktisk kan tale med hinanden på samme måde som fugle for at undgå hinanden under flugten. Og håbet er, at forskere med tiden kan bruge viden til selv at samle og transportere strukturer i den mikroskopiske verden.

Der er meget mere at studere, før forskerne fuldt ud vil forstå eller være i stand til at kontrollere hvirvlerne, men Snezhko sagde, at han tror, ​​at til sidst, de kunne bruges som en pincet, flytning af ikke-metalliske partikler ind og ud af en flydende matrix.

"Denne hvirvel interagerer med partikler gennem væske, " sagde han. "Den kan fange en partikel indeni og flytte den."

Men det er ikke en ensartet løsning, sagde Kokot. Partikler, der transporteres, skal have den rigtige størrelse. Hvis de er for små, de bliver inkorporeret i hvirvellegemet og bremser den. Og hvis de er for store, de ødelægger hvirvelen. Kun den rigtige størrelse partikel vil blive fanget i vortexkernens øje og transporteret. Det kan også være muligt at bruge en partikel til at fastgøre en hvirvel, hvor den kunne holde eller fange partikler, der strømmer forbi, sagde Snezhko.

"Til sidst, efterhånden som du udvikler bedre kontrol over disse hvirvler, du kan bruge dem til at fange last og flytte den hen over en overflade, " sagde Snezhko. "Lige nu, vi kan fange en partikel, men vi kan ikke styre det. Så at gøre det på en mere kontrolleret måde er noget at se på."

For nu, forskerne fortsætter med at eksperimentere med en række magnetfelttyper for at se, hvordan rullerne reagerer i forskellige miljøer og fremkalder nye og måske mere komplekse reaktioner og kontroller.