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Os inventores dos séculos passados e os cientistas de hoje encontraram maneiras engenhosas de tornar nossas vidas melhores com ímãs - desde a agulha magnética em uma bússola até dispositivos de armazenamento de dados magnéticos e até máquinas de varredura corporal de ressonância magnética (ressonância magnética).
Todas essas tecnologias contam com ímãs feitos de materiais sólidos. Mas e se você pudesse fazer um dispositivo magnético de líquidos? Usando uma impressora 3-D modificada, uma equipe de cientistas do Berkeley Lab fez exatamente isso. Suas descobertas, a ser publicado em 19 de julho na revista Ciência , pode levar a uma classe revolucionária de dispositivos líquidos imprimíveis para uma variedade de aplicações, desde células artificiais que fornecem terapias direcionadas ao câncer até robôs líquidos flexíveis que podem mudar sua forma para se adaptar ao ambiente.
"Fizemos um novo material que é líquido e magnético. Ninguém jamais observou isso antes, "disse Tom Russell, um professor visitante do Berkeley Lab e professor de ciência de polímeros e engenharia da Universidade de Massachusetts, Amherst que liderou o estudo. "Isso abre as portas para uma nova área da ciência em matéria macia magnética."
Sessões de Jam:fazendo ímãs com líquidos
Nos últimos sete anos, Russell, que lidera um programa chamado Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, tem se concentrado no desenvolvimento de uma nova classe de materiais - estruturas totalmente líquidas para impressão em 3D.
Um dia, Russell e o primeiro autor do estudo atual, Xubo Liu, tiveram a ideia de formar estruturas líquidas a partir de ferrofluidos, soluções de partículas de óxido de ferro que se tornam fortemente magnéticas, mas apenas na presença de outro ímã. "Nós nos perguntamos, se um ferrofluido pode se tornar temporariamente magnético, o que poderíamos fazer para torná-lo permanentemente magnético, e se comportar como um ímã sólido, mas ainda assim parecer e sentir como um líquido? ", disse Russell.
Descobrir, Russell e Liu - um estudante de pós-graduação pesquisador na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e um estudante de doutorado na Universidade de Tecnologia Química de Pequim - usaram uma técnica de impressão 3-D que desenvolveram com o ex-pesquisador de pós-doutorado Joe Forth na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab para imprimir gotículas de 1 milímetro de uma solução de ferrofluido contendo nanopartículas de óxido de ferro com apenas 20 nanômetros de diâmetro (o tamanho médio de uma proteína de anticorpo).
Usando química de superfície e técnicas sofisticadas de microscopia de força atômica na Fundição Molecular, os co-autores Paul Ashby e Brett Helms, do Berkeley Lab, revelaram que as nanopartículas formaram uma concha semelhante a um sólido na interface entre os dois líquidos por meio de um fenômeno denominado "interferência interfacial, "que faz com que as nanopartículas se aglomeram na superfície da gota, "como as paredes se juntando em uma pequena sala lotada de pessoas, "disse Russell.
Para torná-los magnéticos, os cientistas colocaram as gotículas por uma bobina magnética em solução. Como esperado, a bobina magnética puxou as nanopartículas de óxido de ferro em sua direção.
Mas quando eles removeram a bobina magnética, algo totalmente inesperado aconteceu.
As gotículas cilíndricas foram colocadas em um óleo com a mesma densidade, então eles são flutuantes, e, em seguida, colocado em uma placa de agitação com um ímã de barra giratória. Uma vez magnetizado, eles se comportam como ímãs sólidos flutuantes, girando e dançando uns com os outros.
Uma pequena gota de uma solução de corante (vermelho do Nilo) foi adicionada ao óleo para rastrear o campo de fluxo ao redor das gotículas de líquido ferromagnético em rotação.
O vídeo é gravado em vista superior e reproduzido em tempo real. O volume das gotículas de líquido ferromagnético é 2μL, e o comprimento do cilindro de líquido ferromagnético é de 2 mm. Crédito:Xubo Liu e Tom Russell / Berkeley Lab
Como nadadores sincronizados, as gotículas gravitaram em direção umas às outras em uníssono perfeito, formando um redemoinho elegante. "Como pequenas gotas dançantes, "disse Liu.
De alguma forma, essas gotículas tornaram-se permanentemente magnéticas. "Quase não podíamos acreditar, "disse Russell." Antes de nosso estudo, as pessoas sempre presumiram que os ímãs permanentes só poderiam ser feitos de sólidos. "
Medida por medida, ainda é um ímã
Todos os ímãs, não importa quão grande ou pequeno, tem um pólo norte e um pólo sul. Pólos opostos são atraídos um pelo outro, enquanto os mesmos pólos se repelem.
Por meio de medições de magnetometria, os cientistas descobriram que quando colocaram um campo magnético por uma gota, todos os pólos norte-sul das nanopartículas, desde 70 bilhões de nanopartículas de óxido de ferro flutuando na gota até 1 bilhão de nanopartículas na superfície da gota, respondeu em uníssono, como um ímã sólido.
A chave para esta descoberta foram as nanopartículas de óxido de ferro que se aglomeram firmemente na superfície da gota. Com apenas 8 nm entre cada um dos bilhões de nanopartículas, juntos, eles criaram uma superfície sólida em torno de cada gota de líquido. De alguma forma, quando as nanopartículas presas na superfície são magnetizadas, eles transferem esta orientação magnética para as partículas que nadam ao redor do núcleo, e toda a gota se torna permanentemente magnética, apenas como um sólido, Russell e Liu explicaram.
Os pesquisadores também descobriram que as propriedades magnéticas da gota foram preservadas, mesmo se eles dividiram uma gota em menor, gotas mais finas do tamanho de um cabelo humano, acrescentou Russell.
Entre as muitas qualidades surpreendentes das gotículas magnéticas, o que se destaca ainda mais, Russell observou, é que eles mudam de forma para se adaptar ao ambiente, transformando-se de uma esfera em um cilindro e em uma panqueca, ou um tubo tão fino quanto uma mecha de cabelo, ou mesmo na forma de um polvo - tudo sem perder suas propriedades magnéticas.
As gotas também podem ser ajustadas para alternar entre um modo magnético e um modo não magnético. E quando seu modo magnético é ligado, seus movimentos podem ser controlados remotamente conforme direcionados por um ímã externo, Russell acrescentou.
Liu e Russell planejam continuar as pesquisas no Berkeley Lab e em outros laboratórios nacionais para desenvolver estruturas magnéticas líquidas impressas em 3D ainda mais complexas, como uma célula artificial impressa em líquido, ou a robótica em miniatura que se move como uma minúscula hélice para a distribuição não invasiva, porém direcionada de terapias medicamentosas às células doentes.
“O que começou como uma observação curiosa acabou abrindo uma nova área da ciência, "disse Liu." É algo com que todos os jovens pesquisadores sonham, e tive a sorte de ter a chance de trabalhar com um grande grupo de cientistas apoiados pelas instalações de usuário de classe mundial do Berkeley Lab para torná-lo uma realidade, "disse Liu.
