Nye love for tiltrækning:Forskere udskriver magnetiske væskedråber

Opfindere fra tidligere århundreder og forskere i dag har fundet geniale måder at gøre vores liv bedre med magneter - fra magnetnålen på et kompas til magnetiske datalagringsenheder og endda MRI (magnetisk resonansbilleddannelse) kropscanningsmaskiner.

Alle disse teknologier er afhængige af magneter fremstillet af solide materialer. Men hvad nu hvis du kunne lave en magnetisk enhed ud af væsker? Ved hjælp af en modificeret 3D-printer, et team af forskere på Berkeley Lab har gjort netop det. Deres fund, offentliggøres 19. juli i tidsskriftet Videnskab , kunne føre til en revolutionerende klasse af printerbare flydende enheder til en række forskellige applikationer fra kunstige celler, der leverer målrettet kræftbehandling til fleksible flydende robotter, der kan ændre deres form for at tilpasse sig deres omgivelser.

"Vi har lavet et nyt materiale, der er både flydende og magnetisk. Ingen har nogensinde observeret dette før, "sagde Tom Russell, en gæsteforsker ved Berkeley Lab og professor i polymervidenskab og teknik ved University of Massachusetts, Amherst, der ledede undersøgelsen. "Dette åbner døren til et nyt videnskabeligt område inden for magnetisk blødt stof."

Jam -sessioner:Fremstilling af magneter af væsker

I de sidste syv år har Russell, der leder et program kaldet Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids i Berkeley Labs Materials Sciences Division, har fokuseret på at udvikle en ny klasse materialer-3-D-printbare alle-flydende strukturer.

En dag, Russell og den nuværende undersøgelses første forfatter Xubo Liu kom på ideen om at danne flydende strukturer af ferrofluider, opløsninger af jernoxidpartikler, der bliver stærkt magnetiske, men kun i nærvær af en anden magnet. "Vi undrede os over, hvis et ferrofluid kan blive midlertidigt magnetisk, hvad kunne vi gøre for at gøre det permanent magnetisk, og opfører dig som en fast magnet, men stadig ser ud og føles som en væske? "sagde Russell.

At finde ud af, Russell og Liu-en kandidatstuderende forsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division og en doktorand ved Beijing University of Chemical Technology-brugte en 3D-trykningsteknik, de havde udviklet sammen med den tidligere postdoktorforsker Joe Forth i Berkeley Labs Materials Sciences Division til udskriv 1 millimeter dråber fra en ferrofluidopløsning, der indeholder jernoxid-nanopartikler med kun 20 nanometer i diameter (den gennemsnitlige størrelse af et antistofprotein.)

Ved hjælp af overfladekemi og sofistikerede atomkraftmikroskopiteknikker på Molecular Foundry, medforfattere Paul Ashby og Brett Helms fra Berkeley Lab afslørede, at nanopartiklerne dannede en solid-lignende skal ved grænsefladen mellem de to væsker gennem et fænomen kaldet "interfacial jamming, "hvilket får nanopartiklerne til at myldre ved dråbeoverfladen, "som væggene, der kommer sammen i et lille rum, der var fyldt med mennesker, "sagde Russell.

For at gøre dem magnetiske, forskerne placerede dråberne med en magnetisk spole i opløsning. Som forventet, magnetspolen trak jernoxid-nanopartiklerne mod den.

Men da de fjernede magnetspolen, der skete noget ganske uventet.

Ligesom synkroniserede svømmere, dråberne trak mod hinanden i perfekt samklang, danner en elegant hvirvel. "Som små dansedråber, "sagde Liu.

På en eller anden måde, disse dråber var blevet permanent magnetiske. "Vi kunne næsten ikke tro det, "sagde Russell." Før vores undersøgelse, folk antog altid, at permanente magneter kun kunne laves af faste stoffer. "

Mål for mål, det er stadig en magnet

Alle magneter, uanset hvor stor eller lille, have en nordpol og en sydpol. Modsatte poler tiltrækkes af hinanden, mens de samme poler afviser hinanden.

Gennem magnetometri målinger, forskerne fandt ud af, at når de placerede et magnetfelt ved en dråbe, alle nanopartiklernes nord-syd-poler, fra de 70 milliarder jernoxid-nanopartikler, der flyder rundt i dråben til de 1 milliarder nanopartikler på dråbeoverfladen, svarede i kor, ligesom en solid magnet.

Nøglen til dette fund var jernoxid-nanopartiklerne, der klamrede tæt sammen ved dråbeoverfladen. Med kun 8 nm mellem hver af de milliard nanopartikler, sammen skabte de en fast overflade omkring hver væskedråbe. På en eller anden måde, når de fastklemte nanopartikler på overfladen magnetiseres, de overfører denne magnetiske orientering til partiklerne, der svømmer rundt i kernen, og hele dråben bliver permanent magnetisk, ligesom et solidt, Russell og Liu forklarede.

Forskerne fandt også, at dråbens magnetiske egenskaber blev bevaret, selvom de delte en dråbe i mindre, tyndere dråber på størrelse med et menneskehår, tilføjede Russell.

Blandt de magnetiske dråbes mange fantastiske kvaliteter, hvad der skiller sig endnu mere ud, Russell bemærkede, er, at de ændrer form for at tilpasse sig deres omgivelser, morphing fra en kugle til en cylinder til en pandekage, eller et rør så tyndt som en hårstreng, eller endda til formen af ​​en blæksprutte - alt sammen uden at miste deres magnetiske egenskaber.

Dråberne kan også indstilles til at skifte mellem en magnetisk tilstand og en ikke -magnetisk tilstand. Og når deres magnetiske tilstand er slået til, deres bevægelser kan fjernstyres som anvist af en ekstern magnet, Tilføjede Russell.

Liu og Russell planlægger at fortsætte forskningen på Berkeley Lab og andre nationale laboratorier for at udvikle endnu mere komplekse 3D-trykte magnetiske væskestrukturer, såsom en væsketrykt kunstig celle, eller miniaturerobotik, der bevæger sig som en lille propel til ikke -invasiv, men målrettet levering af lægemiddelterapier til syge celler.

"Det, der begyndte som en nysgerrig observation, endte med at åbne et nyt videnskabeligt område, "sagde Liu." Det er noget, alle unge forskere drømmer om, og jeg var heldig at få chancen for at arbejde med en stor gruppe forskere støttet af Berkeley Labs brugerfaciliteter i verdensklasse for at gøre det til en realitet, "sagde Liu.