Forskere viser, at det er muligt at lære gamle magnetiske cilia nye tricks

Magnetiske cilia - kunstige hår, hvis bevægelse er drevet af indlejrede magnetiske partikler - har eksisteret i et stykke tid og er af interesse for anvendelser inden for blød robotteknologi, transport af genstande og blanding af væsker. Imidlertid bevæger eksisterende magnetiske cilia sig på en fast måde.

Forskere har nu demonstreret en teknik til at skabe magnetiske flimmerhår, der kan "omprogrammeres", og ændre deres magnetiske egenskaber ved stuetemperatur for at ændre bevægelsen af ​​flimmerhårene efter behov.

De fleste magnetiske cilia gør brug af "bløde" magneter, som ikke genererer et magnetfelt, men bliver magnetiske i nærvær af et magnetfelt. Kun få tidligere magnetiske cilia har gjort brug af 'hårde' magneter, som er i stand til at producere deres eget magnetfelt.

En af fordelene ved at bruge hårde magneter er, at de kan programmeres, hvilket betyder, at man kan give det magnetiske felt, der genereres af materialet, en bestemt polarisering. Styring af den magnetiske polarisering - eller magnetisering - giver dig mulighed for i det væsentlige at diktere præcist, hvordan flimmerhårene vil bøje, når et eksternt magnetfelt påføres.

"Det nye ved dette arbejde er, at vi har demonstreret en teknik, der tillader os ikke kun at programmere magnetiske flimmerhår, men også kontrollerbart omprogrammere dem," siger Joe Tracy, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og professor i materialevidenskab og teknik. ved North Carolina State University.

"Vi kan ændre retningen af ​​materialets magnetisering ved stuetemperatur, hvilket igen giver os mulighed for fuldstændig at ændre, hvordan flimmerhårene bøjes. Det er som at få en svømmer til at ændre deres slag."

Til dette arbejde skabte forskerne magnetiske cilia bestående af en polymer indlejret med magnetiske mikropartikler. Specifikt er mikropartiklerne neodymmagneter - kraftfulde magneter lavet af neodym, jern og bor. Artiklen, "Magnetic Reprogramming of Self-Assembled Hard-Magnetic Cilia," er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials Technologies .

For at lave flimmerhårene introducerer forskerne de magnetiske mikropartikler i en polymer opløst i en væske. Denne opslæmning udsættes derefter for et elektromagnetisk felt, der er tilstrækkelig kraftigt til at give alle mikropartiklerne den samme magnetisering.

Ved derefter at påføre et mindre kraftigt magnetfelt, når den flydende polymer tørrer, er forskerne i stand til at kontrollere mikropartiklernes opførsel, hvilket resulterer i dannelsen af ​​cilia, der regelmæssigt er fordelt på tværs af substratet.

"Dette regelmæssigt bestilte cilia-tæppe er oprindeligt programmeret til at opføre sig på en ensartet måde, når det udsættes for et eksternt magnetfelt," siger Tracy. "Men det, der virkelig er interessant her, er, at vi kan omprogrammere den adfærd, så flimmerhårene kan genanvendes til at have en helt anden aktivering."

For at gøre det indlejrede forskerne først flimmerhårene i is, som fikserer alle flimmerhårene i den ønskede retning. Forskerne udsætter derefter flimmerhårene for et dæmpet, vekslende magnetfelt, som har den virkning at forstyrre magnetiseringen af ​​mikropartiklerne. Med andre ord sletter de i det væsentlige den forprogrammerede magnetisering, der blev delt af alle mikropartiklerne, da cilia blev fremstillet.

"Omprogrammeringstrinnet er ret ligetil," siger Tracy. "Vi anvender et oscillerende felt for at nulstille magnetiseringen, og påfører derefter et stærkt magnetisk felt på cilia, som giver os mulighed for at magnetisere mikropartiklerne i en ny retning."

"Ved for det meste at slette den indledende magnetisering, er vi bedre i stand til at omprogrammere magnetiseringen af ​​mikropartiklerne," siger Matt Clary, førsteforfatter af papiret og en ph.d. studerende ved NC State. "Vi viser i dette arbejde, at hvis du udelader det slettetrin, har du mindre kontrol over orienteringen af ​​mikropartiklernes magnetisering, når du omprogrammerer."

"Vi fandt også ud af, at når magnetiseringen af ​​mikropartiklerne er vinkelret på den lange akse af flimmerhårene, kan vi få flimmerhårene til at 'klikke' i et roterende felt, hvilket betyder, at de pludselig ændrer deres orientering," siger Tracy.

Derudover udviklede forskerholdet en beregningsmodel, der giver brugerne mulighed for at forudsige magnetiske cilia's bøjningsadfærd baseret på hårde magneter, afhængigt af orienteringen af ​​ciliaens polarisering.

"Denne model kan bruges i fremtiden til at guide designet af hårdmagnetiske cilia og relaterede bløde aktuatorer," siger Ben Evans, medforfatter af papiret og professor i fysik ved Elon University.

"I sidste ende tror vi, at dette arbejde er værdifuldt for feltet, fordi det tillader genbrug af magnetiske cilia til nye funktioner eller applikationer, især i fjerntliggende miljøer," siger Tracy. "Metoder udviklet i dette arbejde kan også anvendes på det bredere felt af magnetiske bløde aktuatorer."

Papiret var medforfatter af Saarah Cantu, en tidligere kandidatstuderende ved NC State; og Jessica Liu, en tidligere ph.d. studerende ved NC State.

Flere oplysninger: Matthew R. Clary et al., Magnetic Reprogramming of Self-Assembly Hard-Magnetic Cilia, Advanced Materials Technologies (2024). DOI:10.1002/admt.202302243

Journaloplysninger: Avancerede materialeteknologier

Leveret af North Carolina State University