29.07.2019 de julho de 3 - O material revolucionário pode levar a dispositivos de fluido magnético imprimíveis em XNUMXD para a fabricação de eletrônicos flexíveis ou células artificiais que administram terapias medicamentosas direcionadas a células doentes.

Cientistas do Laboratório de Berkeley criaram um novo material que é líquido e magnético, abrindo a porta para um novo campo da ciência em matéria macia magnética. Suas descobertas podem levar a uma classe revolucionária de dispositivos de fluidos imprimíveis para uma ampla variedade de aplicações, desde células artificiais que oferecem terapias direcionadas ao câncer até robôs de fluidos flexíveis que podem mudar de forma para se adaptar ao ambiente. (Vídeo: Marilyn Chung / Berkeley Lab; imagens de gotículas cortesia de Xubo Liu e Tom Russell / Berkeley Lab)

Inventores centenários e cientistas de hoje encontraram maneiras sofisticadas de melhorar nossas vidas com ímãs - desde a agulha magnética em uma bússola até dispositivos de armazenamento magnético de dados e scanners corporais de ressonância magnética.

Todas essas tecnologias são baseadas em ímãs feitos de materiais sólidos. Mas e se você pudesse fazer um dispositivo magnético de líquidos? Usando uma impressora 3D modificada, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) fez exatamente isso. Suas descobertas, publicadas em 19 de julho na revista Science, podem levar a uma classe revolucionária de dispositivos de fluidos imprimíveis para uma ampla variedade de aplicações - de células artificiais que administram terapias direcionadas ao câncer a robôs de fluidos flexíveis que podem mudar de forma, para se adaptar ao seu ambiente.

“Fizemos um novo material que é líquido e magnético. Ninguém viu isso antes ”, disse Tom Russell, cientista visitante do Berkeley Lab e professor de ciência de polímeros e engenharia da Universidade de Massachusetts em Amherst, que liderou o estudo. "Isso abre as portas para uma nova área da ciência da matéria macia magnética."

Nos últimos sete anos, Russell, que lidera um programa denominado Adaptive Interface Assemblies for Structuring Liquids na divisão de Ciência de Materiais do Berkeley Lab e que liderou o estudo atual, tem se concentrado no desenvolvimento de uma nova classe de materiais - totalmente líquido para impressão 3D. Estruturas.

Disposição de gotas magnéticas 1 milimétricas: As gotas verdes fluorescentes são paramagnéticas, sem que as nanopartículas se instalem na interface do líquido. os vermelhos são paramagnéticos com nanopartículas não magnéticas presas na interface; Gotas castanhas são ferromagnéticas com nanopartículas magnéticas ligadas à interface. (Fonte: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

Russell e Xubo Liu, o principal autor do estudo, tiveram a ideia de criar estruturas líquidas a partir de ferrofluidos, que são soluções de partículas de óxido de ferro que se tornam fortemente magnéticas na presença de outro ímã. “Nós nos perguntamos:“ Se um ferrofluido pode se tornar temporariamente magnético, o que podemos fazer para torná-lo permanentemente magnético, mas ainda assim ter a aparência de um líquido? "Disse Russell.

Para descobrir, Russell e Liu usou uma técnica de impressão 3D eles tinham desenvolvido juntamente com o ex pós-doutorado Joe Forth no Departamento de Ciência dos Materiais em Berkeley Lab para imprimir gotículas 1 milímetros de uma solução ferrofluido que as nanopartículas de óxido de ferro com um diâmetro de apenas nanômetros 20 (tamanho de uma proteína de anticorpo).

Os cientistas Paul Ashby e Brett Helms Berkeley Labs Molecular Foundry têm mostrado usando técnicas de microscopia de força atômica sofisticados química de superfície e é que as nanopartículas formar na interface entre os dois líquidos através de um fenômeno chamado de "culpa limite" uma concha sólida-like. As nanopartículas que se acumulam na superfície da gota parecem as paredes que cercam uma pequena sala cheia de pessoas.

Para torná-los magnéticos, os cientistas colocaram as gotas em uma solução dentro de uma bobina magnética. Como esperado, a bobina magnética atraiu as nanopartículas de óxido de ferro.

Mas quando eles removeram o solenóide, algo inesperado aconteceu.

Nanopartículas permanentemente magnetizadas de óxido de ferro fundem-se perfeitamente. (Fonte: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

Como flutuadores sincronizados, as gotículas se moviam em perfeita harmonia e formavam um vórtice elegante "como pequenas gotículas dançantes", disse Liu, um estudante de pós-graduação da Divisão de Ciências de Materiais de Laboratório de Berkeley e doutorando na Universidade de Tecnologia Química de Beijing.

De alguma forma, essas gotículas se tornaram permanentemente magnéticas. "Quase não podíamos acreditar", disse Russell. "Antes de nosso estudo, as pessoas sempre presumiram que ímãs permanentes só poderiam ser feitos de sólidos."

Cheques sem fim, - ainda é um imã

Todos os ímãs, não importa quão grande ou pequeno, têm um polo norte e um polo sul. Os pólos opostos se atraem enquanto os mesmos pólos se repelem.

Por medidas de magnetometria, os cientistas descobriram que todos os pólos norte-sul das nanopartículas quando eles colocam um campo magnético através de uma gota do 70 bilhões de nanopartículas de óxido de ferro flutuando nas gotas até 1 bilhões nanopartículas na superfície da gota , respondeu em uníssono, como um ímã fixo.

Decisivos para este achado foram as nanopartículas de óxido de ferro, que se depositam na superfície da gota. Com apenas nanômetros 8 entre os bilhões de nanopartículas, eles juntos formaram uma superfície sólida em torno de cada gota de líquido.

De alguma forma, as nanopartículas presas na superfície, quando magnetizadas, transferem essa orientação magnética para as partículas que flutuam no núcleo, e a gota inteira se torna permanentemente magnética - como um sólido, explicaram Russell e Liu.

Os pesquisadores também descobriram que as propriedades magnéticas da gota foram mantidas mesmo quando dividiram uma gotícula em gotículas menores e mais finas do tamanho de um cabelo humano, acrescentou Russell.

Para tornar as nanopartículas de óxido de ferro permanentemente magnéticas, os cientistas colocaram as gotículas em uma solução em uma bobina magnética. Como esperado, a bobina magnética atraiu as nanopartículas de óxido de ferro. (Fonte: Xubo Liu e outros / Berkeley Lab

Russell observou que, entre as muitas propriedades surpreendentes das gotículas magnéticas, elas mudam de forma para se adaptar ao ambiente. Transformam-se de uma bola em um cilindro, em uma panqueca, em um tubo fino como um cabelo ou mesmo em um polvo - e tudo isso sem perder suas propriedades magnéticas.

As gotas também podem ser ajustadas para alternar entre um modo magnético e um não magnético. E quando seu modo magnético está ligado, seus movimentos podem ser controlados remotamente por um ímã externo, acrescentou Russell.

Liu e Russell pretende continuar a investigação no laboratório de Berkeley e outros Laboratórios Nacionais de desenvolver estruturas impresso-3D mais complexos magnéticos de fluido, tal como uma célula artificial impresso-líquido ou robótica em miniatura, que é como uma pequena hélice para o não-invasiva, mas alvo Fornecimento de fluidos de terapias medicamentosas diretas para células doentes.

"O que começou como uma observação estranha abriu um novo campo da ciência", disse Liu. "Isso é o que todos os jovens pesquisadores sonham, e tenho a sorte de trabalhar com um grande grupo de cientistas, apoiados pelo Berkeley Labs em instalações de usuários de classe mundial, para tornar isso uma realidade", disse Liu.

Pesquisadores da UC Santa Cruz, da UC Berkeley, do WPI (Instituto Avançado de Pesquisa de Materiais) (WPI-AIMR) da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tecnologia Química de Beijing também participaram do estudo.

As medições de magnetometria foram realizadas com o apoio do co-autor da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, Peter Fischer, Cientista Sênior da Equipe. Frances Hellman, cientista sênior do corpo docente e professora de física na UC Berkeley; Robert Streubel, colega de pós-doutorado; Noah Kent, estudante de doutorado e doutoranda na UC Santa Cruz; e Alejandro Ceballos, estudante de doutorado e pesquisador no Berkeley Lab na UC Berkeley.

Outros co-autores incluem os cientistas Paul Ashby e Brett Helms, e os pesquisadores de pós-doutorado Yu Chai e Paul Kim da Berkeley Labs Molecular Foundry. Yufeng Jiang, candidato a PhD no Departamento de Ciência dos Materiais do Laboratório de Berkeley; e Shaowei Shi e Dong Wang, da Universidade de Tecnologia Química de Pequim.

Este trabalho foi apoiado pelo Gabinete de Ciência do DOE e envolveu pesquisas na Molecular Foundry, uma instalação de usuário baseada em ciência em nanoescala do Escritório de Ciência do DOE.

O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e seus cientistas foram fundados na crença da 1931 de que os maiores desafios científicos são melhor enfrentados pelas equipes. Atualmente premiado com o Nobel 13. Atualmente, os pesquisadores do Berkeley Lab estão desenvolvendo soluções sustentáveis ​​de energia e meio ambiente, desenvolvendo novos materiais úteis, expandindo os limites do domínio do computador e explorando os segredos da vida, da matéria e do universo. Cientistas de todo o mundo confiam nas instalações do laboratório para sua própria ciência de descoberta. O Berkeley Lab é um laboratório nacional de vários programas gerenciado pela Universidade da Califórnia para o Departamento de Ciências do Departamento de Energia dos EUA.

O Escritório de Ciência do DOE é o maior defensor da ciência científica básica nos EUA e está empenhado em abordar alguns dos desafios mais prementes do nosso tempo.

Fonte: Texto e Imagem - Laboratório Nacional Lawrence Berkeley - Berkeley Lab Tradução: Instituto de Terras Raras e Metais - julho de 2019

Por favor, nos siga e curta: