Tuning af en magnetisk væske med et elektrisk felt skaber kontrollerbare dissipative mønstre

Forskere ved Aalto Universitet har vist, at en nanopartikelsuspension kan tjene som en simpel model til at studere dannelsen af ​​mønstre og strukturer i mere komplicerede ikke-ligevægtssystemer, såsom levende celler. Det nye system vil ikke kun være et værdifuldt værktøj til at studere mønsterprocesser, men har også en bred vifte af potentielle teknologiske anvendelser.

Blandingen består af en olieagtig væske, der bærer nanopartikler af jernoxid, som bliver magnetiseret i et magnetfelt. Under de rigtige forhold får påføring af en spænding over denne ferrofluid nanopartiklerne til at migrere, hvilket danner en koncentrationsgradient i blandingen. For at dette skal virke, skal ferrofluiden også indeholde docusate, et voksagtigt kemikalie, der kan transportere ladning gennem væsken.

Forskerne opdagede, at tilstedeværelsen af ​​docusate og en spænding over ferrofluiden resulterede i en adskillelse af elektriske ladninger, hvor jernoxidnanopartiklerne blev negativt ladede. "Det havde vi slet ikke forventet," siger Carlo Rigoni, der er postdoktor ved Aalto. "Vi ved stadig ikke, hvorfor det sker. Faktisk ved vi ikke engang, om ladningerne allerede bliver delt, når dokumentatet tilføjes, eller om det sker, så snart spændingen tændes."

For at afspejle den nye følsomhed over for elektriske felter kalder forskerne væsken for en elektroferrofluid i stedet for blot en ferrofluid. Denne elektriske reaktionsevne får nanopartiklerne til at migrere, og de resulterende forskelle i nanopartikelkoncentrationen ændrer elektroferrofluidens magnetiske reaktionsevne.

Som et resultat ændrer påføring af et magnetfelt på tværs af elektroferrofluiden fordelingen af ​​nanopartiklerne, med det præcise mønster afhængigt af styrken og orienteringen af ​​det magnetiske felt. Med andre ord er nanopartikelfordelingen ustabil og skifter fra en tilstand til en anden, drevet af en lille ændring i det eksterne magnetfelt. Kombinationen af ​​spænding og docusate transformerede væsken fra et ligevægtssystem til et ikke-ligevægtssystem, der kræver konstant energitilførsel for at opretholde sin tilstand – et dissipativt system.

Denne uventede dynamik gør elektroferrofluider særligt interessante både videnskabeligt og med hensyn til potentielle anvendelser. "Ferrofluider har tiltrukket videnskabsmænds, ingeniørers og kunstneres opmærksomhed siden deres opdagelse i 1960'erne. Nu har vi fundet en virkelig nem tilgang til at kontrollere deres magnetiske egenskaber på farten blot ved at påføre en lille spænding for at drive væsken ud af termodynamisk Dette giver mulighed for et helt nyt niveau af kontrol af væskeegenskaberne til teknologiske anvendelser, kompleksitet i mønsterdannelsen og måske endda nye kunstneriske tilgange," siger Jaakko Timonen, professor i eksperimentel kondenseret stoffysik ved Aalto, som overvågede forskningen. .

"Dissipativ kørsel er den generelle mekanisme, der skaber mønstre og strukturer overalt omkring os," siger Rigoni. "Livet er et eksempel. Organismer er nødt til konstant at sprede energi til deres ordnede tilstand, og det gælder også for langt de fleste mønstre og strukturer i økosystemer."

Rigoni forklarer, at denne opdagelse giver et værdifuldt modelsystem for forskere, der forsøger at forstå dissipative systemer og den mønsterdannelse, de understøtter, uanset om det er i form af levende organismer eller komplekse ikke-levende systemer.

"De fleste dissipative systemer er meget komplekse. For eksempel er det meget svært at reducere levende strukturer til et sæt simple parametre, som kunne forklare fremkomsten af ​​visse strukturer," siger Rigoni. Den spændingsdrevne ferrofluid kan bruges til at studere overgangen til et dissipativt system og forstå, hvordan ydre påvirkninger, såsom et magnetfelt, interagerer med systemet for at generere eller modificere strukturer. "Dette kunne give os hints om, hvordan dissipative strukturer i mere komplekse sammenhænge skabes," siger Rigoni.

In addition to its value in fundamental research, the discovery also has potential practical applications. The ability to control the pattern and distribution of nanoparticles is valuable in a range of technologies, such as optical grids and e-ink screens, and the very low power consumption makes this approach especially attractive. "This initial research was mainly about the basic science, but we've already started work that focuses on applications," says Rigoni. + Udforsk yderligere

Ferrofluid surface simulations go more than skin deep