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Gli inventori dei secoli passati e gli scienziati di oggi hanno trovato modi ingegnosi per migliorare la nostra vita con i magneti, dall'ago magnetico su una bussola ai dispositivi di memorizzazione dei dati magnetici e persino alle macchine per la scansione del corpo MRI (risonanza magnetica).
Tutte queste tecnologie si basano su magneti realizzati con materiali solidi. Ma cosa accadrebbe se potessi realizzare un dispositivo magnetico con dei liquidi? Utilizzando una stampante 3D modificata, un team di scienziati del Berkeley Lab ha fatto proprio questo. Le loro scoperte, in uscita il 19 luglio sulla rivista Scienza , potrebbe portare a una classe rivoluzionaria di dispositivi liquidi stampabili per una varietà di applicazioni, dalle cellule artificiali che forniscono terapie antitumorali mirate a robot liquidi flessibili che possono cambiare forma per adattarsi all'ambiente circostante.
"Abbiamo creato un nuovo materiale che è sia liquido che magnetico. Nessuno l'ha mai osservato prima, " ha detto Tom Russell, uno scienziato della facoltà in visita al Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l'Università del Massachusetts, Amherst che ha guidato lo studio. "Questo apre le porte a una nuova area della scienza nella materia morbida magnetica".
Jam session:creare magneti con i liquidi
Negli ultimi sette anni, Russel, che guida un programma chiamato Adaptive Interface Assemblies Towards Structuring Liquids nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, si è concentrata sullo sviluppo di una nuova classe di materiali:strutture completamente liquide stampabili in 3D.
Un giorno, Russell e il primo autore dell'attuale studio, Xubo Liu, hanno avuto l'idea di formare strutture liquide da ferrofluidi, soluzioni di particelle di ossido di ferro che diventano fortemente magnetiche, ma solo in presenza di un altro magnete. "Ci siamo chiesti, se un ferrofluido può diventare temporaneamente magnetico, cosa potremmo fare per renderlo permanentemente magnetico, e si comportano come un magnete solido ma sembrano e si sentono ancora come un liquido?" ha detto Russell.
Per scoprirlo, Russell e Liu, uno studente laureato ricercatore nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e uno studente di dottorato presso l'Università di tecnologia chimica di Pechino, hanno utilizzato una tecnica di stampa 3D che avevano sviluppato con l'ex ricercatore post-dottorato Joe Forth nella divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab per stampa goccioline da 1 millimetro da una soluzione ferrofluida contenente nanoparticelle di ossido di ferro di appena 20 nanometri di diametro (la dimensione media di una proteina anticorpale).
Utilizzando la chimica di superficie e sofisticate tecniche di microscopia a forza atomica presso la Molecular Foundry, i coautori Paul Ashby e Brett Helms del Berkeley Lab hanno rivelato che le nanoparticelle hanno formato un guscio solido all'interfaccia tra i due liquidi attraverso un fenomeno chiamato "interfacial jamming, " che fa sì che le nanoparticelle si accalchino sulla superficie della gocciolina, "come le pareti che si uniscono in una piccola stanza stipata di gente, " ha detto Russel.
Per renderli magnetici, gli scienziati hanno messo in soluzione le goccioline tramite una bobina magnetica. Come previsto, la bobina magnetica ha tirato verso di sé le nanoparticelle di ossido di ferro.
Ma quando hanno rimosso la bobina magnetica, è successo qualcosa di abbastanza inaspettato.
Le goccioline cilindriche sono state poste in un olio avente la stessa densità, quindi sono vivaci, e poi posto su una piastra di agitazione con un magnete a barra rotante. Una volta magnetizzato, si comportano come magneti solidi galleggianti, girando e ballando l'uno con l'altro.
Una piccola goccia di una soluzione colorante (Nile Red) è stata aggiunta all'olio per tracciare il campo di flusso attorno alle goccioline di liquido ferromagnetico rotanti.
Il video viene registrato dalla vista dall'alto e riprodotto in tempo reale. Il volume delle goccioline di liquido ferromagnetico è 2μL, e la lunghezza del cilindro del liquido ferromagnetico è di 2 mm. Credito:Xubo Liu e Tom Russell/Berkeley Lab
Come nuotatori sincronizzati, le goccioline gravitavano l'una verso l'altra in perfetto unisono, formando un elegante vortice. "Come piccole goccioline danzanti, " disse Liù.
In qualche modo, queste goccioline erano diventate permanentemente magnetiche. "Quasi non potevamo crederci, " disse Russell. "Prima del nostro studio, la gente ha sempre pensato che i magneti permanenti potessero essere fatti solo da solidi."
Misura per misura, è ancora un magnete
Tutti i magneti, non importa quanto grande o piccolo, avere un polo nord e un polo sud. I poli opposti sono attratti l'uno dall'altro, mentre gli stessi poli si respingono.
Attraverso misurazioni magnetometriche, gli scienziati hanno scoperto che quando hanno posizionato un campo magnetico da una gocciolina, tutti i poli nord-sud delle nanoparticelle, dai 70 miliardi di nanoparticelle di ossido di ferro che galleggiano nella gocciolina al miliardo di nanoparticelle sulla superficie della gocciolina, ha risposto all'unisono, proprio come un magnete solido.
La chiave di questa scoperta sono state le nanoparticelle di ossido di ferro che si incastrano strettamente insieme sulla superficie della gocciolina. Con appena 8 nm tra ciascuno dei miliardi di nanoparticelle, insieme hanno creato una superficie solida attorno a ogni goccia di liquido. In qualche modo, quando le nanoparticelle inceppate sulla superficie vengono magnetizzate, trasferiscono questo orientamento magnetico alle particelle che nuotano nel nucleo, e l'intera goccia diventa permanentemente magnetica, proprio come un solido, Russell e Liu hanno spiegato.
I ricercatori hanno anche scoperto che le proprietà magnetiche della gocciolina sono state preservate, anche se dividessero una goccia in più piccoli, goccioline più sottili delle dimensioni di un capello umano, ha aggiunto Russel.
Tra le tante qualità sorprendenti delle goccioline magnetiche, ciò che spicca ancora di più, Russell ha notato, è che cambiano forma per adattarsi all'ambiente circostante, trasformandosi da sfera a cilindro a frittella, o un tubo sottile come una ciocca di capelli, o anche a forma di polpo, il tutto senza perdere le loro proprietà magnetiche.
Le goccioline possono anche essere sintonizzate per passare da una modalità magnetica a una non magnetica. E quando la loro modalità magnetica è attivata, i loro movimenti possono essere controllati a distanza come diretto da un magnete esterno, Russel ha aggiunto.
Liu e Russell intendono continuare la ricerca presso il Berkeley Lab e altri laboratori nazionali per sviluppare strutture liquide magnetiche stampate in 3D ancora più complesse, come una cellula artificiale stampata a liquido, o la robotica in miniatura che si muove come una minuscola elica per la somministrazione non invasiva ma mirata di terapie farmacologiche alle cellule malate.
"Quella che è iniziata come una curiosa osservazione ha finito per aprire una nuova area della scienza, " ha detto Liu. "È qualcosa che tutti i giovani ricercatori sognano, e sono stato fortunato ad avere la possibilità di lavorare con un grande gruppo di scienziati supportati dalle strutture per gli utenti di livello mondiale del Berkeley Lab per renderlo realtà, " disse Liù.
