Los inventores de siglos pasados y los científicos de hoy han encontrado formas ingeniosas de mejorar nuestras vidas con imanes, desde la aguja magnética en una brújula hasta dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos e incluso máquinas de escaneo corporal de resonancia magnética MRI.
Todas estas tecnologías se basan en imanes hechos de materiales sólidos. Pero, ¿qué pasaría si pudieras hacer un dispositivo magnético con líquidos? Usando una impresora 3D modificada, un equipo de científicos de Berkeley Lab ha hecho exactamente eso. Sus hallazgos, para serpublicado el 19 de julio en la revista ciencia , podría conducir a una clase revolucionaria de dispositivos líquidos imprimibles para una variedad de aplicaciones desde células artificiales que administran terapias dirigidas contra el cáncer hasta robots líquidos flexibles que pueden cambiar su forma para adaptarse a su entorno.
"Hemos hecho un nuevo material que es tanto líquido como magnético. Nadie ha observado esto antes", dijo Tom Russell, científico visitante de Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts,Amherst, quien dirigió el estudio: "Esto abre la puerta a una nueva área de la ciencia en materia magnética blanda".
Jam sessions: hacer imanes con líquidos
Durante los últimos siete años, Russell, que dirige un programa llamado Ensamblajes Interfaces Adaptativos Hacia la Estructuración de Líquidos en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, se ha centrado en desarrollar una nueva clase de materiales: estructuras totalmente líquidas imprimibles en 3D.
Un día, Russell y el primer autor del estudio actual, Xubo Liu, tuvieron la idea de formar estructuras líquidas a partir de ferrofluidos, soluciones de partículas de óxido de hierro que se vuelven fuertemente magnéticas, pero solo en presencia de otro imán ". Nos preguntamos,Si un ferrofluido puede volverse temporalmente magnético, ¿qué podríamos hacer para hacerlo permanentemente magnético y comportarse como un imán sólido, pero aún así verse y sentirse como un líquido? ", dijo Russell.
Para averiguarlo, Russell y Liu, un investigador de estudiantes graduados en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y estudiante de doctorado en la Universidad de Tecnología Química de Beijing, utilizaron una técnica de impresión 3D que habían desarrollado con el ex investigador postdoctoral Joe Forth enLa División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab imprimirá gotitas de 1 milímetro de una solución de ferrofluido que contiene nanopartículas de óxido de hierro de solo 20 nanómetros de diámetro el tamaño promedio de una proteína de anticuerpo.
Utilizando química de superficie y técnicas sofisticadas de microscopía de fuerza atómica en la Fundición Molecular, los coautores Paul Ashby y Brett Helms de Berkeley Lab revelaron que las nanopartículas formaron una cubierta sólida en la interfaz entre los dos líquidos a través de un fenómeno llamado "interfacialinterferencia ", que hace que las nanopartículas se amontonen en la superficie de la gota", como las paredes que se unen en una pequeña habitación repleta de personas ", dijo Russell.
Para hacerlos magnéticos, los científicos colocaron las gotas mediante una bobina magnética en solución. Como se esperaba, la bobina magnética atrajo las nanopartículas de óxido de hierro hacia ella.
Pero cuando retiraron la bobina magnética, sucedió algo bastante inesperado.
Al igual que los nadadores sincronizados, las gotitas gravitaban entre sí al unísono perfecto, formando un elegante remolino. "Como pequeñas gotitas de baile", dijo Liu.
De alguna manera, estas gotas se habían vuelto permanentemente magnéticas. "Casi no podíamos creerlo", dijo Russell. "Antes de nuestro estudio, la gente siempre asumía que los imanes permanentes solo podían estar hechos de sólidos".
Medida por medida, sigue siendo un imán
Todos los imanes, sin importar cuán grandes o pequeños sean, tienen un polo norte y un polo sur. Los polos opuestos se atraen entre sí, mientras que los mismos polos se repelen entre sí.
Mediante mediciones de magnetometría, los científicos descubrieron que cuando colocaban un campo magnético junto a una gota, todos los polos norte-sur de las nanopartículas, desde las 70 mil millones de nanopartículas de óxido de hierro que flotan en la gota hasta las mil millones de nanopartículas en elLa superficie de la gotita respondió al unísono, como un imán sólido.
La clave de este hallazgo fueron las nanopartículas de óxido de hierro que se juntan fuertemente en la superficie de la gotita. Con solo 8 nm entre cada una de las mil millones de nanopartículas, juntas crearon una superficie sólida alrededor de cada gotita líquida. De alguna manera, cuando las nanopartículas atascadas en ella superficie está magnetizada, transfieren esta orientación magnética a las partículas que nadan en el núcleo y toda la gotita se vuelve permanentemente magnética, como un sólido, explicaron Russell y Liu.
Los investigadores también descubrieron que las propiedades magnéticas de la gota se conservaron, incluso si dividían una gota en gotas más pequeñas y delgadas del tamaño de un cabello humano, agregó Russell.
Russell señaló que, entre las muchas cualidades asombrosas de las gotitas magnéticas, lo que se destaca aún más es que cambian de forma para adaptarse a su entorno, transformándose de una esfera a un cilindro en un panqueque, o un tubo tan delgado como un hilode cabello, o incluso a la forma de un pulpo, todo sin perder sus propiedades magnéticas.
Las gotas también se pueden sintonizar para cambiar entre un modo magnético y un modo no magnético. Y cuando se activa su modo magnético, sus movimientos se pueden controlar de forma remota como lo indica un imán externo, agregó Russell.
Liu y Russell planean continuar la investigación en Berkeley Lab y otros laboratorios nacionales para desarrollar estructuras líquidas magnéticas impresas en 3D aún más complejas, como una célula artificial impresa en líquido o una robótica en miniatura que se mueve como una pequeña hélice no invasiva pero dirigidasuministro de terapias farmacológicas a células enfermas.
"Lo que comenzó como una observación curiosa terminó abriendo una nueva área de la ciencia", dijo Liu. "Es algo con lo que sueñan todos los investigadores jóvenes, y tuve la suerte de tener la oportunidad de trabajar con un gran grupo de científicos apoyados por BerkeleyInstalaciones de usuario de clase mundial de Lab para hacerlo realidad ", dijo Liu.
También contribuyeron al estudio los investigadores de UC Santa Cruz, UC Berkeley y el WPI-Advanced Institute for Materials Research WPI-AIMR en la Universidad de Tohoku.
Las mediciones de magnetometría se tomaron con la ayuda de los coautores Peter Fischer, científico senior de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab; Frances Hellman, científico principal de Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley; Robert Streubel, becario postdoctoral de Berkeley Lab; Noah Kent, investigador de estudiantes graduados de Berkeley Lab y estudiante de doctorado de la Universidad de California Santa Cruz; y Alejandro Ceballos, investigador de estudiantes graduados de Berkeley Lab y estudiante de doctorado de la Universidad de Berkeley.
Otros autores son Yufeng Jiang, investigador estudiantil graduado en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab; Yu Chai y Paul Kim, investigadores postdoctorales en la Fundición Molecular de Berkeley Lab; y Shaowei Shi y Dong Wang de la Universidad de Tecnología Química de Beijing.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE e incluyó investigaciones en Molecular Foundry, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE que se especializa en ciencias a nanoescala.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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