MIT-onderzoekers hebben een fenomeen ontdekt dat kan worden gebruikt om de beweging van in suspensie zwevende minuscule deeltjes te beheersen. Deze aanpak, waarvoor eenvoudigweg een extern elektrisch veld moet worden aangelegd, kan uiteindelijk leiden tot nieuwe manieren om bepaalde industriële of medische processen uit te voeren waarbij kleine zwevende materialen moeten worden gescheiden.

De bevindingen zijn gebaseerd op een elektrokinetische versie van het fenomeen dat curveballs hun curve geeft, bekend als het Magnus-effect. Zachary Sherman Ph.D. '19, die nu een postdoc is aan de Universiteit van Texas in Austin, en MIT-hoogleraar chemische technologie James Swan beschrijven het nieuwe fenomeen in een artikel dat deze week in het tijdschrift is gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven .

Het Magnus-effect zorgt ervoor dat een ronddraaiend object wordt getrokken in een richting loodrecht op zijn beweging, zoals in de curveball; het is gebaseerd op aërodynamische krachten en werkt op macroscopische schaal, d.w.z. op gemakkelijk zichtbare objecten, maar niet op kleinere deeltjes. Het nieuwe fenomeen, veroorzaakt door een elektrisch veld, kan deeltjes naar nanometerschalen voortstuwen, bewegen ze in een gecontroleerde richting zonder enig contact of bewegende delen.

De ontdekking kwam als een verrassing, terwijl Sherman nieuwe simulatiesoftware aan het testen was voor de interacties van kleine nanodeeltjes die hij aan het ontwikkelen was, binnen magnetische en elektrische velden. De testcase die hij bestudeerde, omvat het plaatsen van geladen deeltjes in een elektrolytische vloeistof, die vloeistoffen met ionen zijn, of geladen atomen of moleculen, in hen.

Het was bekend, hij zegt, dat wanneer geladen deeltjes met een diameter van slechts enkele tientallen tot honderden nanometers in dergelijke vloeistoffen worden geplaatst, ze erin blijven hangen in plaats van te bezinken, een colloïde vormen. Ionen clusteren dan rond de deeltjes. De nieuwe software heeft deze ionenclustering met succes gesimuleerd. Volgende, hij simuleerde een elektrisch veld over het materiaal. Dit zou naar verwachting een proces induceren dat elektroforese wordt genoemd, die de deeltjes zou voortstuwen in de richting van het aangelegde veld. Opnieuw, de software heeft het proces correct gesimuleerd.

Toen besloot Sherman om het verder te duwen, en geleidelijk de sterkte van het elektrische veld vergroot. "Maar toen zagen we dit grappige ding, "zegt hij. "Als het veld sterk genoeg was, je zou voor een klein beetje normale elektroforese krijgen, maar dan zouden de colloïden spontaan beginnen te draaien." En daar komt het Magnus-effect om de hoek kijken.

Niet alleen draaiden de deeltjes in de simulaties terwijl ze voortbewogen, maar "die twee bewegingen aan elkaar gekoppeld, en het draaiende deeltje zou van zijn pad afwijken, "zegt hij. "Het is een beetje vreemd, omdat je een kracht in één richting uitoefent, en dan beweegt het ding in een orthogonale [rechthoekige] richting naar wat je hebt gespecificeerd." Het is direct analoog aan wat er aerodynamisch gebeurt met draaiende ballen, hij zegt. "Als je een curveball in honkbal gooit, het gaat in de richting waarin je het gooide, maar dan slaat het ook om. Dit is dus een soort microscopische versie van dat bekende macroscopische Magnus-effect."

Toen het toegepaste veld sterk genoeg was, de geladen deeltjes maakten een sterke beweging in de richting loodrecht op het veld. Dit kan handig zijn, hij zegt, omdat bij elektroforese "het deeltje naar een van de elektroden beweegt, en je komt dit probleem tegen waar het deeltje zal bewegen en dan zal het tegen de elektrode aanlopen, en het zal stoppen met bewegen. Dus je kunt niet echt een continue beweging genereren met alleen elektroforese."

In plaats daarvan, aangezien dit nieuwe effect haaks op het toegepaste veld staat, het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om deeltjes langs een microkanaal voort te stuwen, eenvoudig door elektroden aan de boven- en onderkant te plaatsen. Op die manier, hij zegt, het deeltje zal "gewoon langs het kanaal bewegen, en het zal nooit tegen de elektroden stoten." Dat maakt het, hij zegt, "eigenlijk een efficiëntere manier om de beweging van microscopisch kleine deeltjes te sturen."

Er zijn twee verschillende soorten voorbeelden van processen waarbij deze mogelijkheid van pas kan komen, hij zegt. Een daarvan is om het deeltje te gebruiken om een ​​soort "vracht" op een specifieke locatie af te leveren. Bijvoorbeeld, het deeltje kan gehecht zijn aan een therapeutisch medicijn "en je probeert het naar een doellocatie te krijgen die dat medicijn nodig heeft, maar je kunt het medicijn daar niet direct krijgen, " zegt hij. Of het deeltje kan een soort chemische reactant of katalysator bevatten die naar een specifiek kanaal moet worden geleid om de gewenste reactie uit te voeren.

Het andere voorbeeld is een soort van het omgekeerde van dat proces:een soort doelmateriaal oppakken en terugbrengen. Bijvoorbeeld, een chemische reactie om een ​​product te genereren kan ook veel ongewenste bijproducten genereren. "Dus je hebt een manier nodig om een ​​product naar buiten te brengen, "zegt hij. Deze deeltjes kunnen worden gebruikt om het product op te vangen en vervolgens te worden geëxtraheerd met behulp van het aangelegde elektrische veld. "Op deze manier werken ze als kleine stofzuigers, "zegt hij. "Ze pakken wat je wilt, en dan kun je ze ergens anders heen verplaatsen, en laat het product vervolgens vrij waar het gemakkelijker te verzamelen is."

Hij zegt dat dit effect moet gelden voor een breed scala aan deeltjesgroottes en deeltjesmaterialen, en het team zal blijven bestuderen hoe verschillende materiaaleigenschappen de rotatiesnelheid of de translatiesnelheid van dit effect beïnvloeden. Het basisverschijnsel zou van toepassing moeten zijn op vrijwel elke combinatie van materialen voor de deeltjes en de vloeistof waarin ze zijn gesuspendeerd, zolang de twee van elkaar verschillen in termen van een elektrische eigenschap die de diëlektrische constante wordt genoemd.

De onderzoekers keken naar materialen met een zeer hoge diëlektrische constante, zoals metaaldeeltjes, gesuspendeerd in een veel lager geleidend elektrolyt, zoals water of olie. "Maar je kunt dit misschien ook zien met twee materialen die een contrast hebben" in diëlektrische constante, Sherman zegt, bijvoorbeeld met twee oliën die niet mengen en zo zwevende druppels vormen.