Pesquisadores da Universidade de Aalto mostraram que uma suspensão de nanopartículas pode servir como um modelo simples para estudar a formação de padrões e estruturas em sistemas não-equilíbrios mais complicados, como células vivas. O novo sistema não será apenas uma ferramenta valiosa para estudar processos de padronização, mas também terá uma ampla gama de aplicações tecnológicas potenciais.
A mistura consiste em um líquido oleoso que transporta nanopartículas de óxido de ferro, que ficam magnetizadas em um campo magnético. Sob as condições certas, a aplicação de uma voltagem neste ferrofluido faz com que as nanopartículas migrem, formando um gradiente de concentração na mistura. Para que isso funcione, o ferrofluido também deve incluir docusato, um produto químico ceroso que pode transportar carga através do fluido.

Os pesquisadores descobriram que a presença de docusato e uma voltagem no ferrofluido resultaram em uma separação de cargas elétricas, com as nanopartículas de óxido de ferro se tornando carregadas negativamente. "Nós não esperávamos isso", diz Carlo Rigoni, pesquisador de pós-doutorado em Aalto. "Ainda não sabemos por que isso acontece. Na verdade, nem sabemos se as cobranças já são divididas quando o docusato é adicionado ou se isso acontece assim que a tensão é ligada."

Para refletir a nova sensibilidade aos campos elétricos, os pesquisadores chamam o fluido de eletroferrofluido em vez de meramente ferrofluido. Essa capacidade de resposta elétrica faz com que as nanopartículas migrem e as diferenças resultantes na concentração de nanopartículas alteram a capacidade de resposta magnética do eletroferrofluido.

Como resultado, a aplicação de um campo magnético através do eletroferrofluido altera a distribuição das nanopartículas, com o padrão preciso dependendo da força e orientação do campo magnético. Em outras palavras, a distribuição das nanopartículas é instável, mudando de um estado para outro, impulsionada por uma pequena mudança no campo magnético externo. A combinação de tensão e docusato transformou o fluido de um sistema de equilíbrio em um sistema de não equilíbrio que requer uma entrada de energia constante para manter seu estado – um sistema dissipativo.

Essa dinâmica inesperada torna os eletroferrofluidos particularmente interessantes tanto cientificamente quanto em termos de aplicações potenciais. "Os ferrofluidos atraíram a atenção de cientistas, engenheiros e artistas desde sua descoberta na década de 1960. Agora, encontramos uma abordagem realmente fácil para controlar suas propriedades magnéticas em tempo real apenas aplicando uma pequena voltagem para expulsar o fluido da termodinâmica Isso permite um nível completamente novo de controle das propriedades do fluido para aplicações tecnológicas, complexidade na formação de padrões e talvez até novas abordagens artísticas", diz Jaakko Timonen, professor de física experimental da matéria condensada em Aalto, que supervisionou a pesquisa .

"A condução dissipativa é o mecanismo geral que cria os padrões e estruturas ao nosso redor", diz Rigoni. "A vida é um exemplo. Organismos precisam continuamente dissipar energia para seu estado ordenado, e isso também é verdade para a grande maioria dos padrões e estruturas dos ecossistemas."

Rigoni explica que essa descoberta fornece um sistema modelo valioso para pesquisadores que tentam entender os sistemas dissipativos e a formação de padrões que eles sustentam, seja na forma de organismos vivos ou sistemas complexos não vivos.

"A maioria dos sistemas dissipativos são muito complexos. Por exemplo, é muito difícil reduzir as estruturas vivas a um conjunto de parâmetros simples que poderiam explicar o surgimento de certas estruturas", diz Rigoni. O ferrofluido acionado por tensão pode ser usado para estudar a transição para um sistema dissipativo e entender como influências externas, como um campo magnético, interagem com o sistema para gerar ou modificar estruturas. "Isso pode nos dar dicas sobre como são criadas estruturas dissipativas em contextos mais complexos", diz Rigoni.

Além de seu valor em pesquisa fundamental, a descoberta também tem potenciais aplicações práticas. 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. + Explorar mais

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