29.07.2019 июля 3 г. - Революционный материал может привести к созданию устройств с магнитной жидкостью для XNUMXD-печати для производства гибкой электроники или к искусственным клеткам, которые доставляют целенаправленную лекарственную терапию больным клеткам.

Ученые из лаборатории Беркли создали новый материал, который одновременно является жидким и магнитным, что открывает дверь в новую область науки в области магнитной мягкой материи. Их открытия могут привести к созданию революционного класса жидкостных устройств для печати для самых разных применений, от искусственных клеток, доставляющих целевые методы лечения рака, до гибких жидкостных роботов, которые могут изменять форму, чтобы адаптироваться к окружающей среде. (Видео: Мэрилин Чанг / Berkeley Lab; изображения капель любезно предоставлены Xubo Liu и Tom Russell / Berkeley Lab)

Многовековые изобретатели и современные ученые придумали умные способы улучшить нашу жизнь с помощью магнитов - от магнитной стрелки на компасе до магнитных устройств хранения данных и МРТ-сканеров тела.

Все эти технологии основаны на использовании магнитов из твердых материалов. Но что, если бы вы могли сделать магнитное устройство из жидкостей? Именно это и сделала группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США с использованием модифицированного 3D-принтера. Их выводы, опубликованные 19 июля в журнале Science, могут привести к созданию революционного класса жидкостных устройств для печати для самых разных применений - от искусственных клеток, доставляющих таргетное лечение рака, до гибких жидкостных роботов, которые могут изменять форму, адаптироваться к своему окружению.

«Мы создали новый материал, который одновременно является жидким и магнитным. Никто раньше этого не видел », - сказал Том Рассел, приглашенный научный сотрудник лаборатории Беркли и профессор полимерных наук и инженерии Массачусетского университета в Амхерсте, который руководил исследованием. «Это открывает дверь в новую область науки о магнитной мягкой материи».

В течение последних семи лет Рассел, возглавляющий программу под названием Adaptive Interface Assemblies для структурирования жидкостей в отделе материаловедения Berkeley Lab и возглавлявший текущее исследование, сосредоточился на разработке нового класса материалов - полностью жидких материалов для 3D-печати. Структуры.

Расположение миллиметровых магнитных капель 1: флуоресцентные зеленые капли являются парамагнитными без наночастиц, оседающих на границе раздела жидкостей. красные - парамагнитные с немагнитными наночастицами, захваченными на границе раздела; Коричневые капли являются ферромагнитными с магнитными наночастицами, прикрепленными к границе раздела. (Источник: Xubo Liu et al. / Berkeley Lab)

Рассел и Ксубо Лю, ведущий автор исследования, пришли к идее создания жидких структур из феррожидкостей, которые представляют собой растворы частиц оксида железа, которые становятся сильно магнитными в присутствии другого магнита. «Мы спросили себя:« Если феррожидкость может временно стать магнитной, что мы можем сделать, чтобы она оставалась постоянно магнитной, но при этом выглядела и ощущалась как жидкость. "Сказал Рассел.

Чтобы выяснить это, Рассел и Лю использовали технологию печати 3D, разработанную вместе с бывшим докторантом Джо Фортом в отделе материаловедения лаборатории Беркли, для печати миллиметровых капель 1 из раствора в жидкой фазе жидкости, наночастиц оксида железа. с диаметром только нанометров 20 (размер белка антитела).

Ученые Пол Эшби и Бретт Хелмс из Berkeley Labs Molecular Foundry продемонстрировали с помощью химии поверхности и сложных методов атомной силовой микроскопии, что наночастицы образуют твердую оболочку на границе раздела между двумя жидкостями через явление, называемое «межфазное нарушение». Наночастицы, которые накапливаются на поверхности капли, выглядят как стены, окружающие небольшую комнату, заполненную людьми.

Чтобы сделать их магнитными, ученые поместили капли в раствор внутри магнитной катушки. Как и ожидалось, магнитная катушка притягивала наночастицы оксида железа.

Но когда они сняли соленоид, произошло нечто совершенно неожиданное.

Постоянно намагниченные наночастицы оксида железа прекрасно сливаются. (Источник: Xubo Liu et al. / Berkeley Lab)

Как синхронизированные поплавки, капли движутся в совершенной гармонии и образуют элегантный вихрь, «похожий на маленькие танцующие капельки», - говорит Лю, аспирант Отдела материаловедения лаборатории Беркли и аспирант Пекинского химико-технологического университета.

Каким-то образом эти капли стали постоянно магнитными. «Мы почти не могли поверить в это», - сказал Рассел. «До нашего исследования люди всегда предполагали, что постоянные магниты могут быть сделаны только из твердых тел».

Бесконечные проверки, - это все еще магнит

Все магниты, независимо от их размера, имеют северный полюс и южный полюс. Противоположные полюса притягиваются, а одни и те же полюсы отталкиваются друг от друга.

Используя магнитометрические измерения, ученые обнаружили, что все северно-южные полюса наночастиц, помещая магнитное поле через каплю, варьируются от миллиардов 70 наночастиц оксида железа, плавающих в капельках, до миллиарда наночастиц 1 на поверхности капли. , ответил в унисон, как фиксированный магнит.

Решающими для этого открытия были наночастицы оксида железа, которые оседают на поверхности капли. Имея только нанометры 8 между миллиардами наночастиц, они вместе образуют твердую поверхность вокруг каждой капли жидкости.

Каким-то образом застрявшие на поверхности наночастицы при намагничивании передают эту магнитную ориентацию частицам, плавающим в ядре, и вся капля становится постоянно магнитной - точно так же, как твердое тело, объяснили Рассел и Лю.

Исследователи также обнаружили, что магнитные свойства капли сохранялись даже тогда, когда они разделяли каплю на более мелкие, более тонкие капли размером с человеческий волос, добавил Рассел.

Чтобы наночастицы оксида железа были постоянно магнитными, ученые поместили капли в раствор в магнитной катушке. Как и ожидалось, магнитная катушка притягивала наночастицы оксида железа. (Источник: Xubo Liu et al. / Berkeley Lab

Рассел отметил, что среди множества удивительных свойств магнитных капель они меняют форму, чтобы адаптироваться к окружающей среде. Они превращаются из шара в цилиндр, в блин, в трубку толщиной с волос или даже в форму осьминога - и все это без потери своих магнитных свойств.

Капли также можно отрегулировать для переключения между магнитным и немагнитным режимами. И когда ее магнитный режим включен, ее движения могут дистанционно управляться внешним магнитом, добавил Рассел.

Лю и Рассел планируют продолжить исследования в лаборатории Беркли и других национальных лабораториях для разработки еще более сложных структур с магнитной жидкостью, напечатанных на 3D, таких как искусственная ячейка с жидкой печатью или миниатюрная робототехника, которая действует как крошечный винт для неинвазивного, но целевого движения Доставка жидкостей от прямой лекарственной терапии для больных клеток.

«То, что начиналось как странное наблюдение, открыло новую область науки», - сказал Лю. «Это то, о чем мечтают все молодые исследователи, и мне посчастливилось работать с большой группой ученых при поддержке Berkeley Labs из пользовательских центров мирового класса, чтобы воплотить это в жизнь», - сказал Лю.

Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, Калифорнийского университета в Беркли, WPI (Институт перспективных исследований материалов) (WPI-AIMR) в Университете Тохоку и Пекинском университете химических технологий также приняли участие в исследовании.

Магнитометрические измерения проводились при поддержке соавтора Отдела материаловедения лаборатории Беркли Питера Фишера, старшего научного сотрудника. Фрэнсис Хеллман, старший научный сотрудник и профессор физики в Калифорнийском университете в Беркли; Роберт Штройбель, докторант; Ноа Кент, аспирант и аспирант в Калифорнийском университете в Санта-Круз; и Алехандро Себаллос, докторант и исследователь в лаборатории Беркли в Калифорнийском университете в Беркли.

Другими соавторами являются ученые Пол Эшби и Бретт Хелмс, а также постдокторанты Ю Чай и Пол Ким из Berleley Labs Molecular Foundry. Юфэн Цзян, кандидат наук в отделе материаловедения лаборатории Беркли; и Шаовей Ши и Донг Ван из Пекинского университета химической технологии.

Эта работа была поддержана Отделом науки Министерства энергетики США и включала исследования в Молекулярном литейном цехе, научно-исследовательском учреждении Министерства науки Министерства энергетики США, работающем на основе научных исследований.

Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли и ее ученые были основаны на убеждении 1931 в том, что величайшие научные задачи лучше всего решать командам. В настоящее время награжден Нобелевской премией 13. Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые решения в области энергетики и окружающей среды, разрабатывают полезные новые материалы, расширяют границы компьютерной области и исследуют секреты жизни, материи и вселенной. Ученые со всего мира полагаются на лабораторные возможности для собственных научных открытий. Лаборатория Беркли - национальная многопрограммная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Департамент науки Министерства образования США является крупнейшим защитником фундаментальной науки в США и стремится решать некоторые из наиболее насущных проблем нашего времени.

Источник: Текст и изображение - Национальная лаборатория Лоуренса Беркли - Перевод лаборатории Беркли: Институт редких земель и металлов - июль 2019 г.

Пожалуйста, подписывайтесь на нас: