29.07.2019 de julio de 3: material revolucionario podría conducir a dispositivos de fluidos magnéticos imprimibles en XNUMXD para la fabricación de componentes electrónicos flexibles o células artificiales que administran terapias con medicamentos dirigidos a las células enfermas.

Los científicos del laboratorio de Berkeley han creado un nuevo material que es tanto líquido como magnético, abriendo la puerta a un nuevo campo de la ciencia en materia magnética blanda. Sus hallazgos podrían conducir a una clase revolucionaria de dispositivos imprimibles con fluidos para una amplia variedad de aplicaciones, desde células artificiales que administran terapias contra el cáncer dirigidas hasta robots de fluidos flexibles que pueden cambiar de forma para adaptarse a su entorno. (Video: Marilyn Chung / Berkeley Lab; imágenes de gotas cortesía de Xubo Liu y Tom Russell / Berkeley Lab)

Los inventores centenarios y los científicos actuales han ideado formas inteligentes de mejorar nuestras vidas con imanes, desde la aguja magnética de una brújula hasta dispositivos magnéticos de almacenamiento de datos y escáneres corporales de resonancia magnética.

Todas estas tecnologías se basan en imanes hechos de materiales sólidos. Pero, ¿y si pudiera hacer un dispositivo magnético con líquidos? Utilizando una impresora 3D modificada, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) hizo precisamente eso. Sus hallazgos, publicados el 19 de julio en la revista Science, podrían conducir a una clase revolucionaria de dispositivos de fluidos imprimibles para una amplia variedad de usos, desde células artificiales que administran terapias contra el cáncer dirigidas hasta robots de fluidos flexibles que pueden cambiar de forma. para adaptarse a su entorno.

“Hicimos un nuevo material que es tanto líquido como magnético. Nadie lo ha visto antes ”, dijo Tom Russell, científico visitante en Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts en Amherst, quien dirigió el estudio. "Esto abre la puerta a una nueva área de la ciencia de la materia blanda magnética".

Durante los últimos siete años, Russell, quien lidera un programa llamado Ensambles de interfaz adaptable para la estructuración de líquidos en la división de Ciencia de Materiales de Berkeley Lab y quien dirigió el estudio actual, se ha enfocado en desarrollar una nueva clase de materiales: todo líquido imprimible en 3D. Estructuras.

Disposición de las gotas magnéticas milimétricas 1: las gotas verdes fluorescentes son paramagnéticas sin que las nanopartículas se depositen en la interfaz líquida. los rojos son paramagnéticos con nanopartículas no magnéticas atrapadas en la interfaz; Las gotas marrones son ferromagnéticas con nanopartículas magnéticas unidas a la interfaz. (Fuente: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

A Russell y Xubo Liu, el autor principal del estudio, se les ocurrió la idea de crear 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 magnético temporalmente, ¿qué podemos hacer para que sea permanentemente magnético, pero aún se vea y se sienta como un líquido? "Dijo Russell.

Para descubrirlo, Russell y Liu utilizaron la tecnología de impresión 3D, desarrollada con el ex investigador postdoctoral Joe Forth en el departamento de ciencia de materiales de Berkeley Lab, para imprimir gotitas milimétricas 1 de una solución de ferrofluido, las nanopartículas de óxido de hierro. con un diámetro de solo nanómetros 20 (tamaño de una proteína de anticuerpo).

Los científicos Paul Ashby y Brett Helms de Berkeley Labs Molecular Foundry han demostrado, con la ayuda de la química de la superficie y las sofisticadas técnicas de microscopía de fuerza atómica, que las nanopartículas forman una cubierta sólida en la interfaz entre los dos líquidos a través de un fenómeno llamado "trastorno interfacial". Las nanopartículas que se acumulan en la superficie de la gota se parecen a las paredes que rodean una pequeña habitación llena de gente.

Para hacerlos magnéticos, los científicos colocaron las gotas en una solución dentro de una bobina magnética. Como se esperaba, la bobina magnética atrajo las nanopartículas de óxido de hierro.

Pero cuando quitaron el solenoide, sucedió algo inesperado.

Las nanopartículas de óxido de hierro permanentemente magnetizadas se fusionan perfectamente. (Fuente: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

Al igual que las carrozas sincronizadas, las gotas se movían en perfecta armonía y formaban un elegante vórtice "como pequeñas gotas de baile", dijo Liu, un estudiante graduado en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley y estudiante de doctorado en la Universidad de Tecnología Química de Beijing.

De alguna manera, estas gotas se habían vuelto permanentemente magnéticas. "Casi no podíamos creerlo", dijo Russell. "Antes de nuestro estudio, la gente siempre asumió que los imanes permanentes solo se podían fabricar a partir de sólidos".

Controles interminables, sigue siendo un imán

Todos los imanes, no importa cuán grande o pequeño sea, tienen un polo norte y un polo sur. Los polos opuestos se atraen mientras los mismos polos se repelen entre sí.

Utilizando mediciones magnetométricas, los científicos descubrieron que todos los polos norte-sur de las nanopartículas, al colocar un campo magnético a través de una gotita, van desde los miles de millones de nanopartículas de óxido de hierro que flotan en las gotitas hasta 70 mil millones de nanopartículas en la superficie de la gotita. , respondió al unísono, como un imán fijo.

Decisivo para este hallazgo fueron las nanopartículas de óxido de hierro, que se asientan en la superficie de la gota. Con solo nanómetros 8 entre miles de millones de nanopartículas, juntas formaron una superficie sólida alrededor de cada gota de líquido.

De alguna manera, las nanopartículas atascadas en la superficie, cuando se magnetizan, transfieren esa orientación magnética a las partículas que flotan en el núcleo, y toda la gota se vuelve permanentemente magnética, como un sólido, explicaron Russell y Liu.

Los investigadores también encontraron que las propiedades magnéticas de la gota se mantuvieron incluso cuando dividieron una gota en gotas más pequeñas y delgadas del tamaño de un cabello humano, agregó Russell.

Para hacer que las nanopartículas de óxido de hierro sean magnéticas permanentemente, los científicos colocaron las gotas en una solución en una bobina magnética. Como se esperaba, la bobina magnética atrajo las nanopartículas de óxido de hierro. (Fuente: Xubo Liu et al. / Berkeley Lab

Russell señaló que entre las muchas propiedades sorprendentes de las gotas magnéticas, cambian de forma para adaptarse a su entorno. Se transforman de una bola en un cilindro, en un panqueque, en un tubo delgado como un cabello o incluso en la forma de un pulpo, y todo esto sin perder sus propiedades magnéticas.

Las gotas también se pueden ajustar para cambiar entre un modo magnético y uno no magnético. Y cuando su modo magnético está activado, sus movimientos pueden controlarse de forma remota mediante un imán externo, agregó Russell.

Liu y Russell planean continuar la investigación en el Laboratorio Berkeley y otros laboratorios nacionales para desarrollar estructuras de fluidos magnéticos impresas con 3D aún más complejas, como una célula artificial impresa en líquido o una robótica en miniatura que actúa como una pequeña hélice para propulsión no invasiva pero dirigida Suministro de fluidos de terapias farmacológicas directas para células enfermas.

"Lo que comenzó como una observación extraña abrió un nuevo campo de la ciencia", dijo Liu. "Esto es con lo que sueñan todos los investigadores jóvenes, y he tenido la suerte de trabajar con un gran grupo de científicos, respaldados por Berkeley Labs desde instalaciones de usuarios de clase mundial, para hacer esto una realidad", dijo Liu.

Investigadores de UC Santa Cruz, UC Berkeley, el WPI (Instituto Avanzado de Investigación de Materiales) (WPI-AIMR) en la Universidad de Tohoku y la Universidad de Tecnología Química de Beijing también participaron en el estudio.

Las mediciones de magnetometría se llevaron a cabo con el apoyo del coautor de la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio Berkeley, Peter Fischer, Científico Superior. Frances Hellman, científica principal de la facultad y profesora de física en UC Berkeley; Robert Streubel, becario postdoctoral; Noah Kent, estudiante de doctorado y estudiante de doctorado en la UC Santa Cruz; y Alejandro Ceballos, estudiante de doctorado e investigador en Berkeley Lab en UC Berkeley.

Otros coautores son los científicos Paul Ashby y Brett Helms, y los investigadores posdoctorales Yu Chai y Paul Kim de Berkeley Labs Molecular Foundry. Yufeng Jiang, candidato a doctorado en el Departamento de Ciencia de Materiales del Laboratorio Berkeley; y Shaowei Shi y Dong Wang de la Universidad de Tecnología Química de Beijing.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencia del DOE e involucró investigaciones en la Fundición Molecular, una instalación de usuarios de nanoescala de la Oficina de Ciencia del DOE.

El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos fueron fundados en la creencia de 1931 de que los mayores desafíos científicos son mejor manejados por los equipos. Actualmente galardonado con los Premios Nobel 13. Hoy, los investigadores de Berkeley Lab están desarrollando soluciones sostenibles de energía y medio ambiente, desarrollando nuevos materiales útiles, expandiendo los límites del dominio de la computadora y explorando los secretos de la vida, la materia y el universo. Los científicos de todo el mundo confían en las instalaciones de laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. El Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU.

La Oficina de Ciencia del DOE es el mayor defensor de la ciencia de las ciencias básicas en los EE. UU. Y se compromete a abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo.

Fuente: Texto e imagen - Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley - Traducción del Laboratorio de Berkeley: Instituto de Tierras Raras y Metales - Julio de 2019

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