Tanto los inventores de los siglos pasados como los científicos de hoy han encontrado formas ingeniosas de mejorar nuestras vidas con la ayuda de imanes, desde una aguja de brújula magnética hasta dispositivos magnéticos de almacenamiento de datos e incluso escáneres corporales de resonancia magnética.
Todas estas tecnologías se basan en imanes hechos de materiales sólidos. Pero, ¿y si pudieras hacer un dispositivo magnético con líquidos?
Usando una impresora 3D modificada, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) hizo exactamente eso. Sus hallazgos, que se publicaron a principios de esta semana en la revista Cienciaspodría conducir a una clase revolucionaria de dispositivos líquidos imprimibles para una variedad de aplicaciones, incluidas las células artificiales que administran terapias contra el cáncer.
Esto significa que mediante la aplicación de un campo magnético externo, los científicos pueden controlar dispositivos líquidos fabricados de esta manera, «como agitar la varita de Harry Potter».
«Hemos creado un nuevo material que es tanto líquido como magnético. Nadie había notado esto antes», dijo Tom Russell, científico visitante de la facultad en Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts, Amherst, quien dirigió el estudio. «Esto abre la puerta a una nueva área de la ciencia en materia magnética blanda».
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Durante los últimos siete años, Russell, que dirige un programa llamado Ensamblajes interfaciales adaptables hacia la estructuración de líquidos, se ha centrado en desarrollar una nueva clase de materiales: estructuras totalmente líquidas imprimibles en 3D. Russell y Xubo Liu, autor principal del estudio, tuvieron la idea de formar estructuras líquidas a partir de ferrofluidos, que son soluciones de partículas de óxido de hierro que se vuelven fuertemente magnéticas en presencia de otro imán.
«Nos preguntamos: ‘Si un ferrofluido puede volverse temporalmente magnético, ¿qué podemos hacer para que sea permanentemente magnético y se comporte como un imán sólido, pero aún se vea y se sienta como un líquido?'», dijo Russell.
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Para averiguarlo, Russell y Liu utilizaron una técnica de impresión 3D que ayudaron a desarrollar para imprimir gotas de 1 milímetro de una solución de ferrofluido que contenía nanopartículas de óxido de hierro con un diámetro de solo 20 nanómetros (el tamaño promedio de una proteína de anticuerpo).
Usando química de superficie y técnicas sofisticadas de microscopía de fuerza atómica, los científicos Paul Ashby y Brett Helms de Molecular Foundry de Berkeley Lab revelaron que las nanopartículas formaron una capa sólida en la interfaz entre los dos líquidos a través de un fenómeno llamado «bloqueo interfacial». Esto hace que las nanopartículas se amontonen en la superficie de las gotas, «como paredes que se juntan en una habitación pequeña llena de gente», dijo Russell.
Para hacerlos magnéticos, los científicos colocaron las gotas a través de una bobina magnética en la solución. Como era de esperar, la bobina magnética atrajo las nanopartículas de óxido de hierro hacia ella.
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Pero cuando quitaron la bobina magnética, sucedió algo bastante inesperado.
Como nadadores sincronizados, las gotas gravitaron una hacia la otra al unísono perfecto, formando un elegante vórtice «como gotas danzantes», dijo Liu. (Mira el video a continuación…)
De alguna manera, estas gotitas se habían vuelto permanentemente magnéticas. «Casi no podíamos creerlo», dijo Russell. «Antes de nuestro estudio, la gente siempre asumía que los imanes permanentes solo podían estar hechos de sólidos».
Todos los imanes, sin importar cuán grandes o pequeños sean, tienen un polo norte y un polo sur. Los polos opuestos se atraen, mientras que los polos iguales se repelen.
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Mediante mediciones de magnetometría, los científicos descubrieron que cuando colocaban un campo magnético a través de una gota, todos los polos norte-sur de las nanopartículas, desde los 70 mil millones de nanopartículas de óxido de hierro que flotan en la gota hasta los mil millones de nanopartículas en la superficie de la gota. , respondió al unísono, como un imán sólido.
La clave de este descubrimiento fueron las nanopartículas de óxido de hierro que se juntaron estrechamente en la superficie de la gota. Con solo 8 nanómetros entre cada una de las miles de millones de nanopartículas, juntas crearon una superficie sólida alrededor de cada gota de líquido.
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De alguna manera, cuando las nanopartículas bloqueadas en la superficie se magnetizan, transfieren esta orientación magnética a las partículas que nadan en el núcleo, y toda la gota se vuelve permanentemente magnética, como un sólido, explicaron Russell y Liu.
Cambiar de forma para adaptarse a su entorno.
Los investigadores también encontraron que las propiedades magnéticas de la gota se conservaron incluso si dividían una gota en gotas más pequeñas y delgadas del tamaño de un cabello humano, agregó Russell.
Entre las muchas cualidades sorprendentes de las gotas magnéticas, lo que se destaca aún más, señaló Russell, es que cambian de forma para adaptarse a su entorno. Se transforman de una esfera a un cilindro a un panqueque o un tubo tan delgado como un mechón de cabello o incluso a la forma de un pulpo – todo sin perder sus propiedades magnéticas.
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Las gotas también se pueden ajustar para cambiar entre un modo magnético y no magnético. Y cuando se enciende su modo magnético, sus movimientos se pueden controlar de forma remota de acuerdo con las instrucciones de un imán externo, agregó Russell.
Liu y Russell planean continuar la investigación en Berkeley Lab y otros laboratorios nacionales para desarrollar estructuras líquidas magnéticas impresas en 3D más complejas, como una célula artificial impresa en líquido o robótica en miniatura que se mueve como una pequeña hélice para una entrega no invasiva, pero dirigida. tratamientos farmacológicos para células enfermas.
“Lo que comenzó como una observación curiosa terminó abriendo una nueva área de la ciencia”, dijo Liu. «Esto es algo con lo que sueñan todos los jóvenes investigadores, y tuve la suerte de tener la oportunidad de trabajar con un gran grupo de científicos, respaldados por las instalaciones de usabilidad de clase mundial de Berkeley Lab, para hacerlo realidad», dijo Liu.
Reimpreso de laboratorio de berkeley
(RELOJ el líquido en acción en el video a continuación)
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