Wetenschap
Onderzoekers laten zien dat het mogelijk is om oude magnetische cilia nieuwe trucjes te leren
Magnetische cilia – kunstmatige haartjes waarvan de beweging wordt aangedreven door ingebedde magnetische deeltjes – bestaan al een tijdje en zijn van belang voor toepassingen in zachte robotica, het transporteren van objecten en het mengen van vloeistoffen. Bestaande magnetische cilia bewegen echter op een vaste manier.
Onderzoekers hebben nu een techniek gedemonstreerd voor het creëren van magnetische cilia die kunnen worden "geherprogrammeerd", waarbij hun magnetische eigenschappen bij kamertemperatuur worden gewijzigd om de beweging van de cilia indien nodig te veranderen.
De meeste magnetische cilia maken gebruik van "zachte" magneten, die geen magnetisch veld opwekken, maar magnetisch worden in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Slechts een paar eerdere magnetische cilia hebben gebruik gemaakt van 'harde' magneten, die in staat zijn hun eigen magnetisch veld te produceren.
Een van de voordelen van het gebruik van harde magneten is dat ze programmeerbaar zijn, wat betekent dat je het door het materiaal opgewekte magnetische veld een specifieke polarisatie kunt geven. Door de magnetische polarisatie (of magnetisatie) te beheersen, kun je in essentie precies dicteren hoe de cilia zullen buigen wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd.
"Het nieuwe aan dit werk is dat we een techniek hebben gedemonstreerd waarmee we niet alleen magnetische cilia kunnen programmeren, maar ze ook controleerbaar kunnen herprogrammeren", zegt Joe Tracy, corresponderend auteur van een artikel over het werk en hoogleraar materiaalkunde en techniek. aan de North Carolina State University.
"We kunnen de richting van de magnetisatie van het materiaal bij kamertemperatuur veranderen, waardoor we de manier waarop de cilia buigen volledig kunnen veranderen. Het is alsof je een zwemmer zijn slag laat veranderen."
Voor dit werk creëerden de onderzoekers magnetische cilia bestaande uit een polymeer ingebed met magnetische microdeeltjes. Concreet zijn de microdeeltjes neodymiummagneten:krachtige magneten gemaakt van neodymium, ijzer en boor. Het artikel, "Magnetic Reprogramming of Self-Assembled Hard-Magnetic Cilia", is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials Technologies .
Om de cilia te maken, brengen de onderzoekers de magnetische microdeeltjes in een polymeer opgelost in een vloeistof. Deze slurry wordt vervolgens blootgesteld aan een elektromagnetisch veld dat voldoende krachtig is om alle microdeeltjes dezelfde magnetisatie te geven.
Door vervolgens een minder krachtig magnetisch veld aan te leggen terwijl het vloeibare polymeer droogt, kunnen de onderzoekers het gedrag van de microdeeltjes controleren, wat resulteert in de vorming van cilia die op regelmatige afstanden over het substraat liggen.
"Dit regelmatig bestelde cilia-tapijt is in eerste instantie geprogrammeerd om zich op een uniforme manier te gedragen wanneer het wordt blootgesteld aan een extern magnetisch veld", zegt Tracy. "Maar wat hier echt interessant is, is dat we dat gedrag kunnen herprogrammeren, zodat de trilharen een geheel andere werking kunnen krijgen."
Om dat te doen, hebben de onderzoekers de cilia eerst in ijs ingebed, waardoor alle cilia in de gewenste richting worden gefixeerd. Vervolgens stellen de onderzoekers de cilia bloot aan een gedempt, wisselend magnetisch veld, waardoor de magnetisatie van de microdeeltjes wordt verstoord. Met andere woorden, ze wissen substantieel de voorgeprogrammeerde magnetisatie die door alle microdeeltjes werd gedeeld toen de cilia werden vervaardigd.
"De herprogrammeringsstap is redelijk eenvoudig", zegt Tracy. "We passen een oscillerend veld toe om de magnetisatie te resetten en passen vervolgens een sterk magnetisch veld toe op de cilia, waardoor we de microdeeltjes in een nieuwe richting kunnen magnetiseren."
"Door de initiële magnetisatie grotendeels te wissen, zijn we beter in staat de magnetisatie van de microdeeltjes te herprogrammeren", zegt Matt Clary, eerste auteur van het artikel en een Ph.D. student aan NC State. "We laten in dit werk zien dat als je die wisstap weglaat, je bij het herprogrammeren minder controle hebt over de oriëntatie van de magnetisatie van de microdeeltjes."
"We ontdekten ook dat wanneer de magnetisatie van de microdeeltjes loodrecht op de lange as van de cilia staat, we ervoor kunnen zorgen dat de cilia in een roterend veld 'knappen', wat betekent dat ze abrupt van richting veranderen", zegt Tracy.
Daarnaast heeft het onderzoeksteam een rekenmodel ontwikkeld waarmee gebruikers het buiggedrag van magnetische cilia kunnen voorspellen op basis van harde magneten, afhankelijk van de oriëntatie van de polarisatie van de cilia.
"Dit model zou in de toekomst kunnen worden gebruikt als leidraad voor het ontwerp van hardmagnetische trilharen en aanverwante zachte actuatoren", zegt Ben Evans, co-auteur van het artikel en hoogleraar natuurkunde aan de Elon Universiteit.
"Uiteindelijk denken we dat dit werk waardevol is voor het veld omdat het een herbestemming van magnetische trilharen mogelijk maakt voor nieuwe functies of toepassingen, vooral in afgelegen omgevingen", zegt Tracy. "Methoden die in dit werk zijn ontwikkeld, kunnen ook worden toegepast op het bredere veld van magnetische zachte actuatoren."
Het artikel is co-auteur van Saarah Cantu, een voormalig afgestudeerde student aan NC State; en Jessica Liu, een voormalige Ph.D. student aan NC State.