Undersøgelse finder elektriske felter kan kaste en curveball

MIT -forskere har opdaget et fænomen, der kan bruges til at kontrollere bevægelsen af ​​små partikler, der flyder i suspension. Denne tilgang, hvilket kræver blot at anvende et eksternt elektrisk felt, i sidste ende kan føre til nye måder at udføre visse industrielle eller medicinske processer, der kræver adskillelse af små suspenderede materialer.

Resultaterne er baseret på en elektrokinetisk version af fænomenet, der giver curveballs deres kurve, kendt som Magnus -effekten. Zachary Sherman Ph.D. '19, der nu er postdoc ved University of Texas i Austin, og MIT -professor i kemiteknik James Swan beskriver det nye fænomen i et papir, der blev offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Magnus -effekten får en roterende genstand til at blive trukket i en retning vinkelret på dens bevægelse, som i curveballen; den er baseret på aerodynamiske kræfter og fungerer på makroskopiske skalaer - dvs. på let synlige objekter - men ikke på mindre partikler. Det nye fænomen, fremkaldt af et elektrisk felt, kan drive partikler ned til nanometer skalaer, flytte dem langs i en kontrolleret retning uden kontakt eller bevægelige dele.

Opdagelsen kom som en overraskelse, da Sherman testede noget nyt simuleringssoftware til interaktioner mellem små nanoskala partikler, som han udviklede, inden for magnetiske og elektriske felter. Den testcase, han studerede, involverer at placere ladede partikler i en elektrolytisk væske, som er væsker med ioner, eller ladede atomer eller molekyler, i dem.

Det var kendt, han siger, at når ladede partikler blot et par tiere til hundredvis af nanometre på tværs placeres i sådanne væsker, forbliver de suspenderet i den frem for at bundfælde sig, danner et kolloid. Ioner klynger derefter omkring partiklerne. Den nye software simulerede med succes denne ionklynge. Næste, han simulerede et elektrisk felt på tværs af materialet. Dette forventes at fremkalde en proces kaldet elektroforese, som ville drive partiklerne i retning af det påførte felt. Igen, softwaren simulerede processen korrekt.

Så besluttede Sherman at skubbe det yderligere, og gradvist øget styrken af ​​det elektriske felt. "Men så så vi denne sjove ting, "siger han." Hvis feltet var stærkt nok, du ville få normal elektroforese i en lille smule, men så ville kolloiderne spontant begynde at spinde. ”Og det er her, Magnus -effekten kommer ind.

Ikke nok med at partiklerne drejede i simuleringerne, efterhånden som de bevægede sig, men "de to bevægelser koblet sammen, og den snurrende partikel ville svigte af sin vej, "siger han." Det er lidt mærkeligt, fordi du anvender en kraft i en retning, og derefter bevæger tingen sig i en ortogonal [retvinklet] retning til det, du har angivet. "Det er direkte analogt med, hvad der sker aerodynamisk med spinnende bolde, han siger. "Hvis du kaster en curveball i baseball, det går i den retning, du kastede det, men så vender det også af. Så dette er en slags mikroskopisk version af den velkendte makroskopiske Magnus-effekt. "

Når det anvendte felt var stærkt nok, de ladede partikler tog en stærk bevægelse i retningen vinkelret på feltet. Dette kan være nyttigt, han siger, fordi med elektroforese "bevæger partiklen sig mod en af ​​elektroderne, og du løber ind i dette problem, hvor partiklen vil bevæge sig, og derefter vil den løbe ind i elektroden, og det stopper med at bevæge sig. Så du kan ikke rigtig generere en kontinuerlig bevægelse med bare elektroforese. "

I stedet, da denne nye effekt går vinkelret på det anvendte felt, den kan f.eks. bruges til at drive partikler langs en mikrokanal, simpelthen ved at placere elektroder på toppen og bunden. Den vej, han siger, partiklen vil "bare bevæge sig langs kanalen, og det vil aldrig støde ind i elektroderne. "Det gør det, han siger, "faktisk en mere effektiv måde at styre bevægelsen af ​​mikroskopiske partikler på."

Der er to forskellige slags eksempler på processer, hvor denne evne kan komme til nytte, han siger. Den ene er at bruge partiklen til at levere en slags "last" til et bestemt sted. For eksempel, partiklen kunne fastgøres til et terapeutisk lægemiddel ", og du forsøger at få det til et målsted, der har brug for det lægemiddel, men du kan ikke få stoffet der direkte, "siger han. Eller partiklen kan indeholde en slags kemisk reaktant eller katalysator, der skal ledes til en bestemt kanal for at udføre den ønskede reaktion.

Det andet eksempel er en slags omvendt proces:at samle en slags målmateriale op og bringe det tilbage. For eksempel, en kemisk reaktion for at generere et produkt kan også generere en masse uønskede biprodukter. "Så du har brug for en måde at få et produkt ud af, "siger han. Disse partikler kan bruges til at fange produktet og derefter ekstraheres ved hjælp af det påførte elektriske felt." På den måde fungerer de som små støvsugere, "siger han." De henter den ting, du vil have, og så kan du flytte dem et andet sted, og slip derefter produktet, hvor det er lettere at indsamle. "

Han siger, at denne effekt bør gælde for en bred vifte af partikelstørrelser og partikelmaterialer, og teamet vil fortsætte med at undersøge, hvordan forskellige materialegenskaber påvirker rotationshastigheden eller oversættelseshastigheden for denne effekt. Grundfænomenet bør gælde for stort set enhver kombination af materialer til partiklerne og væsken, de er suspenderet i, så længe de to adskiller sig fra hinanden med hensyn til en elektrisk egenskab kaldet den dielektriske konstant.

Forskerne så på materialer med en meget høj dielektrisk konstant, såsom metalpartikler, suspenderet i en meget lavere ledende elektrolyt, såsom vand eller olier. "Men du kan muligvis også se dette med to materialer, der har en kontrast" i dielektrisk konstant, Sherman siger, for eksempel med to olier, der ikke blandes og dermed danner suspenderede dråber.