Fotografie e micrografie che mostrano i vari schemi esibiti dall'elettroferrofluido:schemi di equilibrio nel solo campo magnetico (a sinistra) e schemi di non equilibrio creati sotto una combinazione di campi elettrici e magnetici (a destra). Crediti:Gruppo di ricerca sulla materia attiva guidato dal Prof. Timonen/Università di Aalto
I ricercatori dell'Università di Aalto hanno dimostrato che una sospensione di nanoparticelle può fungere da modello semplice per studiare la formazione di modelli e strutture in sistemi di non equilibrio più complicati, come le cellule viventi. Il nuovo sistema non sarà solo uno strumento prezioso per lo studio dei processi di modellazione, ma ha anche un'ampia gamma di potenziali applicazioni tecnologiche.
La miscela è costituita da un liquido oleoso che trasporta nanoparticelle di ossido di ferro, che vengono magnetizzate in un campo magnetico. Nelle giuste condizioni, l'applicazione di una tensione attraverso questo ferrofluido fa migrare le nanoparticelle, formando un gradiente di concentrazione nella miscela. Affinché ciò funzioni, il ferrofluido deve includere anche il docusato, una sostanza chimica cerosa che può trasportare la carica attraverso il fluido.
I ricercatori hanno scoperto che la presenza di docusato e una tensione attraverso il ferrofluido provocava una separazione delle cariche elettriche, con le nanoparticelle di ossido di ferro che si caricavano negativamente. "Non ce lo aspettavamo affatto", afferma Carlo Rigoni, ricercatore post-dottorato presso Aalto. "Ancora non sappiamo perché accada. In realtà, non sappiamo nemmeno se gli addebiti si dividono già quando si aggiunge il docusato o se accade non appena viene attivata la tensione."
Per riflettere la nuova sensibilità ai campi elettrici, i ricercatori chiamano il fluido elettroferrofluido invece che semplicemente ferrofluido. Questa reattività elettrica provoca la migrazione delle nanoparticelle e le differenze risultanti nella concentrazione delle nanoparticelle modificano la reattività magnetica dell'elettroferrofluido.
Di conseguenza, l'applicazione di un campo magnetico attraverso l'elettroferrofluido cambia la distribuzione delle nanoparticelle, con uno schema preciso che dipende dalla forza e dall'orientamento del campo magnetico. In altre parole, la distribuzione delle nanoparticelle è instabile, passando da uno stato all'altro, guidata da un piccolo cambiamento nel campo magnetico esterno. La combinazione di tensione e docusate ha trasformato il fluido da un sistema di equilibrio in un sistema di non equilibrio che richiede un input di energia costante per mantenere il suo stato:un sistema dissipativo.
Queste dinamiche inaspettate rendono gli elettroferrofluidi particolarmente interessanti sia dal punto di vista scientifico che in termini di potenziali applicazioni. "I ferrofluidi hanno attirato l'attenzione di scienziati, ingegneri e artisti sin dalla loro scoperta negli anni '60. Ora abbiamo trovato un approccio davvero facile per controllare le loro proprietà magnetiche al volo semplicemente applicando una piccola tensione per far uscire il fluido dalla termodinamica equilibrio. Ciò consente un livello completamente nuovo di controllo delle proprietà dei fluidi per le applicazioni tecnologiche, la complessità nella formazione del modello e forse anche nuovi approcci artistici", afferma Jaakko Timonen, professore di fisica sperimentale della materia condensata ad Aalto, che ha supervisionato la ricerca .
"La guida dissipativa è il meccanismo generale che crea i modelli e le strutture intorno a noi", afferma Rigoni. "La vita è un esempio. Gli organismi devono continuamente dissipare energia nel loro stato ordinato, e questo vale anche per la stragrande maggioranza dei modelli e delle strutture negli ecosistemi."
Rigoni spiega che questa scoperta fornisce un prezioso sistema modello per i ricercatori che cercano di comprendere i sistemi dissipativi e la formazione del modello che sono alla base, sia sotto forma di organismi viventi che di complessi sistemi non viventi.
"La maggior parte dei sistemi dissipativi sono molto complessi. Ad esempio, è molto difficile ridurre le strutture viventi a un insieme di parametri semplici che potrebbero spiegare l'emergere di determinate strutture", afferma Rigoni. Il ferrofluido azionato dalla tensione può essere utilizzato per studiare la transizione in un sistema dissipativo e capire come le influenze esterne, come un campo magnetico, interagiscono con il sistema per generare o modificare le strutture. "This could give us hints about how dissipative structures in more complex contexts are created," Rigoni says.
In addition to its value in fundamental research, the discovery also has potential practical applications. The ability to control the pattern and distribution of nanoparticles is valuable in a range of technologies, such as optical grids and e-ink screens, and the very low power consumption makes this approach especially attractive. "This initial research was mainly about the basic science, but we've already started work that focuses on applications," says Rigoni. + Esplora ulteriormente
