I ricercatori del MIT hanno scoperto un fenomeno che potrebbe essere sfruttato per controllare il movimento di minuscole particelle che galleggiano in sospensione. Questo approccio, che richiede semplicemente l'applicazione di un campo elettrico esterno, alla fine può portare a nuovi modi di eseguire determinati processi industriali o medici che richiedono la separazione di minuscoli materiali sospesi.

I risultati si basano su una versione elettrocinetica del fenomeno che dà alle palle curve la loro curva, noto come effetto Magnus. Zachary Sherman Ph.D. '19, che ora è un postdoc presso l'Università del Texas ad Austin, e il professore di ingegneria chimica del MIT James Swan descrivono il nuovo fenomeno in un articolo pubblicato questa settimana sulla rivista Lettere di revisione fisica .

L'effetto Magnus fa sì che un oggetto rotante venga tirato in una direzione perpendicolare al suo movimento, come nella palla curva; si basa su forze aerodinamiche e opera su scale macroscopiche, ad es. su oggetti facilmente visibili, ma non su particelle più piccole. Il nuovo fenomeno, indotto da un campo elettrico, può spingere le particelle fino a scale nanometriche, spostandoli in una direzione controllata senza alcun contatto o parti in movimento.

La scoperta è stata una sorpresa, mentre Sherman stava testando un nuovo software di simulazione per le interazioni di minuscole particelle su nanoscala che stava sviluppando, all'interno di campi magnetici ed elettrici. Il test case che stava studiando prevede il posizionamento di particelle cariche in un liquido elettrolitico, che sono liquidi con ioni, o atomi o molecole carichi, in loro.

Era noto, lui dice, che quando particelle cariche di poche decine o centinaia di nanometri di diametro sono poste in tali liquidi, rimangono sospese al suo interno invece di depositarsi, formando un colloide. Gli ioni si raggruppano quindi attorno alle particelle. Il nuovo software ha simulato con successo questo raggruppamento ionico. Prossimo, ha simulato un campo elettrico attraverso il materiale. Questo dovrebbe indurre un processo chiamato elettroforesi, che spingerebbe le particelle lungo la direzione del campo applicato. Ancora, il software ha simulato correttamente il processo.

Poi Sherman ha deciso di spingersi oltre, e aumentò gradualmente la forza del campo elettrico. "Ma poi abbiamo visto questa cosa divertente, " dice. "Se il campo era abbastanza forte, otterresti un'elettroforesi normale per un po', ma poi i colloidi inizierebbero spontaneamente a girare." Ed è qui che entra in gioco l'effetto Magnus.

Non solo le particelle ruotavano nelle simulazioni mentre si muovevano, ma "quei due moti accoppiati insieme, e la particella rotante devierà dal suo percorso, " dice. "E 'un po' strano, perché applichi una forza in una direzione, e poi la cosa si muove in una direzione ortogonale [ad angolo retto] a ciò che hai specificato." È direttamente analogo a ciò che accade aerodinamicamente con le palle rotanti, lui dice. "Se lanci una palla curva nel baseball, va nella direzione in cui l'hai lanciato, ma poi si spegne anche. Quindi questa è una specie di versione microscopica del noto effetto Magnus macroscopico".

Quando il campo applicato era abbastanza forte, le particelle cariche hanno preso un forte moto nella direzione perpendicolare al campo. Questo potrebbe essere utile, lui dice, perché con l'elettroforesi "la particella si muove verso uno degli elettrodi, e ti imbatti in questo problema in cui la particella si muoverà e poi andrà a sbattere contro l'elettrodo, e smetterà di muoversi. Quindi non puoi davvero generare un movimento continuo con la sola elettroforesi".

Anziché, poiché questo nuovo effetto va perpendicolarmente al campo applicato, potrebbe essere utilizzato ad esempio per spingere le particelle lungo un microcanale, semplicemente posizionando gli elettrodi sopra e sotto. Quel modo, lui dice, la particella "si muoverà semplicemente lungo il canale, e non andrà mai a sbattere contro gli elettrodi." Questo lo rende, lui dice, "in realtà un modo più efficiente per dirigere il movimento di particelle microscopiche".

Esistono due diversi tipi di esempi di processi in cui questa capacità potrebbe tornare utile, lui dice. Uno è usare la particella per consegnare una sorta di "carico" in un luogo specifico. Per esempio, la particella potrebbe essere attaccata a un farmaco terapeutico "e stai cercando di portarlo in un sito bersaglio che ha bisogno di quel farmaco, ma non puoi prendere la droga direttamente lì, " dice. Oppure la particella potrebbe contenere una sorta di reagente chimico o catalizzatore che deve essere diretto a un canale specifico per eseguire la reazione desiderata.

L'altro esempio è un po' l'inverso di quel processo:raccogliere un qualche tipo di materiale di destinazione e riportarlo indietro. Per esempio, una reazione chimica per generare un prodotto potrebbe anche generare molti sottoprodotti indesiderati. "Quindi hai bisogno di un modo per far uscire un prodotto, " dice. Queste particelle possono essere utilizzate per catturare il prodotto e quindi essere estratte utilizzando il campo elettrico applicato. "In questo modo fungono da piccoli aspirapolvere, " dice. "Prendono la cosa che vuoi, e poi puoi spostarli da qualche altra parte, e poi rilascia il prodotto dove è più facile da raccogliere."

Dice che questo effetto dovrebbe applicarsi a un'ampia gamma di dimensioni delle particelle e materiali di particelle, e il team continuerà a studiare come le diverse proprietà dei materiali influenzino la velocità di rotazione o la velocità di traslazione di questo effetto. Il fenomeno di base dovrebbe applicarsi praticamente a qualsiasi combinazione di materiali per le particelle e il liquido in cui sono sospese, purché i due differiscano l'uno dall'altro in termini di una proprietà elettrica chiamata costante dielettrica.

I ricercatori hanno esaminato materiali con una costante dielettrica molto elevata, come particelle metalliche, sospeso in un elettrolita a conduzione molto inferiore, come acqua o oli. "Ma potresti anche essere in grado di vederlo con due materiali qualsiasi che hanno un contrasto" in costante dielettrica, Sherman dice, ad esempio con due oli che non si mescolano e quindi formano goccioline in sospensione.