Pesquisadores mostram que é possível ensinar novos truques aos antigos cílios magnéticos
Flexão de cílios magnéticos à base de NdFeB magnetizados apontando para cima em campos magnéticos horizontais. Crédito:Matthew R. Clary. Os cílios magnéticos – cabelos artificiais cujo movimento é alimentado por partículas magnéticas incorporadas – já existem há algum tempo e são de interesse para aplicações em robótica leve, transporte de objetos e mistura de líquidos. No entanto, os cílios magnéticos existentes movem-se de forma fixa.
Os pesquisadores demonstraram agora uma técnica para criar cílios magnéticos que podem ser “reprogramados”, alterando suas propriedades magnéticas à temperatura ambiente para alterar o movimento dos cílios conforme necessário.
A maioria dos cílios magnéticos utiliza ímãs "suaves", que não geram um campo magnético, mas se tornam magnéticos na presença de um campo magnético. Apenas alguns cílios magnéticos anteriores fizeram uso de ímãs “duros”, que são capazes de produzir seu próprio campo magnético.
Uma das vantagens de usar ímãs rígidos é que eles podem ser programados, o que significa que você pode dar ao campo magnético gerado pelo material uma polarização específica. Controlar a polarização magnética – ou magnetização – permite essencialmente ditar com precisão como os cílios irão flexionar quando um campo magnético externo for aplicado.
"O que há de novo neste trabalho é que demonstramos uma técnica que nos permite não apenas programar cílios magnéticos, mas também reprogramá-los de forma controlada", diz Joe Tracy, autor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais. na Universidade Estadual da Carolina do Norte.
"Podemos mudar a direção da magnetização do material à temperatura ambiente, o que por sua vez nos permite mudar completamente a forma como os cílios se flexionam. É como fazer um nadador mudar sua braçada."
Para este trabalho, os pesquisadores criaram cílios magnéticos constituídos por um polímero embutido em micropartículas magnéticas. Especificamente, as micropartículas são ímãs de neodímio – poderosos ímãs feitos de neodímio, ferro e boro. O artigo, "Reprogramação magnética de cílios magnéticos rígidos auto-montados", foi publicado na revista Advanced Materials Technologies .
Para fazer os cílios, os pesquisadores introduzem as micropartículas magnéticas em um polímero dissolvido em um líquido. Esta pasta é então exposta a um campo eletromagnético que é suficientemente poderoso para dar a todas as micropartículas a mesma magnetização.
Ao aplicar então um campo magnético menos potente à medida que o polímero líquido seca, os pesquisadores conseguem controlar o comportamento das micropartículas, resultando na formação de cílios regularmente espaçados no substrato.
“Este tapete ciliar ordenado regularmente é inicialmente programado para se comportar de maneira uniforme quando exposto a um campo magnético externo”, diz Tracy. “Mas o que é realmente interessante aqui é que podemos reprogramar esse comportamento, para que os cílios possam ser reaproveitados para ter uma atuação completamente diferente”.
Para fazer isso, os pesquisadores primeiro incorporam os cílios no gelo, o que fixa todos os cílios na direção desejada. Os pesquisadores então expõem os cílios a um campo magnético alternado e amortecido que tem o efeito de desordenar a magnetização das micropartículas. Em outras palavras, eles apagam substancialmente a magnetização pré-programada que foi compartilhada por todas as micropartículas quando os cílios foram fabricados.
“A etapa de reprogramação é bastante simples”, diz Tracy. “Aplicamos um campo oscilante para redefinir a magnetização e, em seguida, aplicamos um forte campo magnético aos cílios, o que nos permite magnetizar as micropartículas em uma nova direção”.
“Ao apagar principalmente a magnetização inicial, somos mais capazes de reprogramar a magnetização das micropartículas”, diz Matt Clary, primeiro autor do artigo e Ph.D. estudante da NC State. “Mostramos neste trabalho que se você deixar de fora essa etapa de apagamento você terá menos controle sobre a orientação da magnetização das micropartículas durante a reprogramação.”
"Também descobrimos que quando a magnetização das micropartículas é perpendicular ao longo eixo dos cílios, podemos fazer com que os cílios 'se encaixem' em um campo rotativo, o que significa que eles mudam abruptamente de orientação", diz Tracy.
Além disso, a equipe de pesquisa desenvolveu um modelo computacional que permite aos usuários prever o comportamento de flexão dos cílios magnéticos com base em ímãs rígidos, dependendo da orientação da polarização dos cílios.
“Este modelo pode ser usado no futuro para orientar o projeto de cílios magnéticos duros e atuadores suaves relacionados”, diz Ben Evans, co-autor do artigo e professor de física na Universidade Elon.
“Em última análise, achamos que este trabalho é valioso para o campo porque permite o reaproveitamento de cílios magnéticos para novas funções ou aplicações, especialmente em ambientes remotos”, diz Tracy. "Os métodos desenvolvidos neste trabalho também podem ser aplicados ao campo mais amplo de atuadores magnéticos suaves."
O artigo foi coautor de Saarah Cantu, ex-aluno de pós-graduação da NC State; e Jessica Liu, ex-Ph.D. estudante da NC State.
