Uitvinders van eeuwen geleden en wetenschappers van vandaag hebben ingenieuze manieren gevonden om ons leven te verbeteren met magneten - van de magnetische naald op een kompas tot magnetische gegevensopslagapparaten en zelfs MRI-bodyscanmachines (magnetic resonance imaging).

Al deze technologieën zijn gebaseerd op magneten die zijn gemaakt van solide materialen. Maar wat als je een magnetisch apparaat zou kunnen maken van vloeistoffen? Met behulp van een aangepaste 3D-printer, een team van wetenschappers van Berkeley Lab heeft precies dat gedaan. Hun bevindingen, verschijnt 19 juli in het tijdschrift Wetenschap , zou kunnen leiden tot een revolutionaire klasse van afdrukbare vloeibare apparaten voor een verscheidenheid aan toepassingen, van kunstmatige cellen die gerichte kankertherapieën leveren tot flexibele vloeibare robots die hun vorm kunnen veranderen om zich aan te passen aan hun omgeving.

"We hebben een nieuw materiaal gemaakt dat zowel vloeibaar als magnetisch is. Niemand heeft dit ooit eerder waargenomen, " zei Tom Russel, een bezoekende faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar polymeerwetenschap en -techniek aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst die de studie leidde. "Dit opent de deur naar een nieuw wetenschapsgebied in magnetische zachte materie."

Jamsessies:magneten maken van vloeistoffen

De afgelopen zeven jaar, Russel, die een programma leidt genaamd Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, heeft zich gericht op het ontwikkelen van een nieuwe klasse materialen:3D-printbare, volledig vloeibare structuren.

Op een dag, Russell en de eerste auteur van de huidige studie, Xubo Liu, kwamen op het idee om vloeibare structuren te vormen uit ferrovloeistoffen, oplossingen van ijzeroxidedeeltjes die sterk magnetisch worden, maar alleen in aanwezigheid van een andere magneet. "We vroegen ons af, als een ferrovloeistof tijdelijk magnetisch kan worden, wat kunnen we doen om het permanent magnetisch te maken, en zich gedragen als een vaste magneet, maar er nog steeds uitzien en aanvoelen als een vloeistof?" zei Russell.

Er achter komen, Russell en Liu - een afgestudeerde student-onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een doctoraatsstudent aan de Beijing University of Chemical Technology - gebruikten een 3D-printtechniek die ze hadden ontwikkeld met voormalig postdoctoraal onderzoeker Joe Forth in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab om print druppeltjes van 1 millimeter uit een ferrovloeistof-oplossing die ijzeroxide-nanodeeltjes bevat met een diameter van slechts 20 nanometer (de gemiddelde grootte van een antilichaameiwit.)

Met behulp van oppervlaktechemie en geavanceerde atoomkrachtmicroscopietechnieken bij de Molecular Foundry, co-auteurs Paul Ashby en Brett Helms van Berkeley Lab onthulden dat de nanodeeltjes een solide-achtige schaal vormden op het grensvlak tussen de twee vloeistoffen door een fenomeen genaamd "interfacial jamming, " waardoor de nanodeeltjes zich verdringen aan het oppervlak van de druppel, "zoals de muren samenkomen in een kleine kamer vol met mensen, ' zei Russel.

Om ze magnetisch te maken, de wetenschappers plaatsten de druppeltjes door een magnetische spoel in oplossing. Zoals verwacht, de magnetische spoel trok de ijzeroxide-nanodeeltjes ernaartoe.

Maar toen ze de magnetische spoel verwijderden, er gebeurde iets heel onverwachts.

Zoals gesynchroniseerde zwemmers, de druppeltjes trokken perfect naar elkaar toe, vormen een elegante werveling. "Als kleine dansende druppeltjes, " zei Liu.

op de een of andere manier, deze druppeltjes waren permanent magnetisch geworden. "We konden het bijna niet geloven, "zei Russell. "Voor onze studie, mensen gingen er altijd vanuit dat permanente magneten alleen van vaste stoffen konden worden gemaakt."

Maat voor maat, het is nog steeds een magneet

alle magneten, hoe groot of klein ook, hebben een noordpool en een zuidpool. Tegengestelde polen trekken elkaar aan, terwijl dezelfde polen elkaar afstoten.

Door middel van magnetometriemetingen, ontdekten de wetenschappers dat wanneer ze een magnetisch veld bij een druppel plaatsten, alle noord-zuidpolen van de nanodeeltjes, van de 70 miljard ijzeroxide nanodeeltjes die rondzweven in de druppel tot de 1 miljard nanodeeltjes op het oppervlak van de druppel, reageerde in koor, net als een stevige magneet.

De sleutel tot deze bevinding waren de ijzeroxide-nanodeeltjes die stevig aan elkaar vastzaten aan het oppervlak van de druppel. Met slechts 8 nm tussen elk van de miljard nanodeeltjes, samen creëerden ze een vast oppervlak rond elke vloeistofdruppel. op de een of andere manier, wanneer de vastgelopen nanodeeltjes op het oppervlak worden gemagnetiseerd, ze brengen deze magnetische oriëntatie over op de deeltjes die in de kern rondzwemmen, en de hele druppel wordt permanent magnetisch, net als een solide, Russell en Liu legden het uit.

De onderzoekers ontdekten ook dat de magnetische eigenschappen van de druppel behouden bleven, zelfs als ze een druppel in kleinere delen, dunnere druppels ter grootte van een mensenhaar, voegde Russel toe.

Onder de vele verbazingwekkende eigenschappen van de magnetische druppeltjes, wat nog meer opvalt, Russell merkte op, is dat ze van vorm veranderen om zich aan te passen aan hun omgeving, verandert van een bol naar een cilinder naar een pannenkoek, of een buis zo dun als een haarlok, of zelfs de vorm van een octopus - allemaal zonder hun magnetische eigenschappen te verliezen.

De druppels kunnen ook worden afgestemd om te schakelen tussen een magnetische modus en een niet-magnetische modus. En wanneer hun magnetische modus is ingeschakeld, hun bewegingen kunnen op afstand worden bestuurd zoals aangegeven door een externe magneet, voegde Russell toe.

Liu en Russell zijn van plan hun onderzoek voort te zetten in Berkeley Lab en andere nationale laboratoria om nog complexere 3D-geprinte magnetische vloeistofstructuren te ontwikkelen. zoals een met vloeistof bedrukte kunstmatige cel, of miniatuurrobotica die bewegen als een kleine propeller voor niet-invasieve maar gerichte afgifte van medicijntherapieën aan zieke cellen.

"Wat begon als een merkwaardige observatie, opende uiteindelijk een nieuw wetenschapsgebied, " zei Liu. "Het is iets waar alle jonge onderzoekers van dromen, en ik had het geluk om samen te werken met een geweldige groep wetenschappers, ondersteund door Berkeley Lab's gebruikersfaciliteiten van wereldklasse om het te realiseren, " zei Liu.