195176, г. Санкт-Петербург,
Пискаревский пр. д.25,
литер А пом. 8Н.
info@armkllc.ru
   +7 (812) 748-51-31

Жидкая магнитная 3D-печать: от гибкой электроники до клеток.

Дата публикации: 2019-07-26 09:59:00

источник

«То, что начиналось как любопытное наблюдение,

в конечном итоге открыло новую область науки.»

Цубо Лу, автор исследования. 

Учёные из лаборатории Беркли совершили несколько выдающихся разработок. Во-первых, они создали новый жидкий материал, обладающий магнитными свойствами. А это уже не просто успех, но и, возможно, открытие новой научной области, занимающейся мягкой магнитной материей. Во-вторых, овладение жидкостной 3D-печатью подобных веществ может привести к революции в самых разных областях: от медицины (к примеру – производство искусственных клеток, доставляющих целевую терапию к раковым очагам), до промышленных разработок (типа гибких жидких роботов, которые могут менять свою форму, приспосабливаясь к окружающей среде). Да, выглядит фантастически, но благодаря коллективу лаборатории ­– уже весьма возможно.

Главный вопрос науки: а что, если?

Успехи изобретателейпрошлых веков и сегодняшних учёных дали нам хитроумные способы сделать что-либо с помощью магнитов: это и компас, и ныне устаревшие устройства хранения данных, и даже магнитно-резонансная томография. Но все эти технологии основаны на использовании твердотельных магнитов. Команда учёных из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики задалась вопросом альтернативных магнитов на жидкой основе. Они модифицировали 3D-принтер и создали первое искомое вещество! «Мы создали новый материал – жидкий и магнитный. Никто никогда не наблюдал этого раньше», – сказал Том Расселл, приглашённый учёный из лаборатории Беркли и профессор полимерных наук и инженерии в Университете Массачусетса. Он и руководил исследованием. 

Последние семь лет Расселл, который возглавляет программу «Адаптивные межфазные сборки к структурированию жидкостей» в Отделе материаловедения в лаборатории Беркли, занимается разработками нового класса материалов – 3D-печатных полностью жидких структур. Расселл и Цюбо Лу (аспирант-исследователь в отделе материаловедения лаборатории Беркли и докторант Пекинского университета хим-технологий), ведущий автор исследования, пришли к идее формирования жидких структур из феррофлюидов, представляющих собой растворы частиц оксида железа, которые становятся сильно магнитными в присутствии другого магнита. «Мы задались вопросом», – говорит Расселл – «Если бы жидкость могла стать временно магнитной, что мы могли бы сделать, чтобы она стала постоянно магнитной, и вела себя как твёрдый магнит, но при этом выглядела и чувствовала себя как жидкость?»

Добрым друзьям и чёрт не страшен

Чтобы выяснить это, Расселл и Лу использовали метод 3D-печати, разработанный ими ранее совместно с бывшим постдоком исследования Джо Фортом из Отдела материаловедения лаборатории Беркли. Целью было – напечатать капли размером 1 миллиметр из феррофлюидного раствора, содержащего наночастицы оксида железа диаметром всего 20 нанометров (в среднем соотносимо с размером белка антитела).

Используя химию поверхности и сложные методы атомно-силовой микроскопии, штатные учёные Пол Эшби и Бретт Хелмс из молекулярной литейной лаборатории Berkeley Lab обнаружили, что происходит так называемое межфазное заклинивание. То есть частицы образуют твёрдую оболочку на границе раздела между двумя жидкостями (иными словами – обволакивают каплю одной жидкости внутри другой), что Расселл описал как «смыкающиеся стены маленькой комнаты, заполненной людьми».

Чтобы сделать это, учёные поместили капли с помощью магнитной катушки в раствор. Как и ожидалось, катушка притянула к себе все крохи оксида железа. Но снятие её обнаружило нечто совершенно неожиданное: подобно идеальным синхронным пловцам, капельки тяготели друг ко другу в унисон, образуя изящный вихрь. «Как маленькие танцующие капельки», – говорит об этом Лю. Каким-то образом эти они стали постоянно магнитными. По словам Расселла, вся команда была крайне удивлена увиденным. До этого исследования не подвергалось сомнению, что постоянные магниты могут быть только твердотельными.

И всё-таки это магнит

Невероятно. Может, где-то ошибка? Известно, что все магниты всегда имеют северный и южный полюс. Противоположные полюса притягиваются, а одноимённые – отталкиваются друг от друга. С помощью магнитометрических измерений было обнаружено, что при помещении капли с магнитным полем в раствор, все полюса наночастиц с севера на юг (от 70 миллиардов частиц оксида железа, плавающих вокруг капли, до 1 миллиарда – на поверхности самой капли) ответили в унисон. Прямо как цельный магнит.

Ключом к этому открытию оказалось плотное прилегание друг ко другу наносегментов оксида железа на поверхности капли. Имея всего 8 нанометров между ними, вместе они создали твёрдую поверхность вокруг каждой капли жидкости.

Не вполне ещё ясно как именно это происходит, но, когда застрявшие на поверхности частицы намагничиваются, они передают эту магнитную ориентацию собратьям, плавающим в ядре, и вся капля становится постоянно магнитной. Точь-в-точь как твёрдое тело. Кроме того, даже при условии разделения одной капли на более мелкие, размером с человеческий волос, обнаружено сохранение всех магнитных свойств нового вещества.  

Расселл отметил, что среди многих удивительных качеств магнитных капель больше всего выделяется то, что они меняют форму, приспосабливаясь к окружающей среде. Они превращаются из сферы в цилиндр, в блины или в трубу, тонкую, как прядь волос, или даже в форму осьминога – и всё это без потери своих магнитных свойств, которые, к тому же, можно включать и выключать. И когда магнитный режим запущен, движения частиц могут управляться дистанционно в соответствии с указаниями внешнего магнита.

Команда планирует продолжить исследования в лаборатории Беркли и других национальных лабораториях для разработки ещё более сложных 3D-печатных магнитно-жидкостных структур, таких как искусственная ячейка с жидкой печатью или миниатюрная робототехника, которая движется как крошечный винт для неинвазивной, но целевой доставки лекарственных препаратов к больным клеткам.

«Это то, о чём мечтают все молодые исследователи. И мне повезло, что у меня была возможность поработать с замечательной группой учёных, чтобы воплотить это в жизнь», - сказал Лу.


По материалам Berkeley Lab news