Het afstemmen van een magnetische vloeistof met een elektrisch veld creëert controleerbare dissipatieve patronen

Onderzoekers van Aalto University hebben aangetoond dat een suspensie van nanodeeltjes kan dienen als een eenvoudig model voor het bestuderen van de vorming van patronen en structuren in meer gecompliceerde niet-evenwichtssystemen, zoals levende cellen. Het nieuwe systeem zal niet alleen een waardevol hulpmiddel zijn voor het bestuderen van patroonvormingsprocessen, maar heeft ook een breed scala aan potentiële technologische toepassingen.

Het mengsel bestaat uit een olieachtige vloeistof die nanodeeltjes van ijzeroxide bevat, die in een magnetisch veld worden gemagnetiseerd. Onder de juiste omstandigheden zorgt het aanleggen van een spanning over deze ferrovloeistof ervoor dat de nanodeeltjes migreren en een concentratiegradiënt in het mengsel vormen. Om dit te laten werken, moet de ferrovloeistof ook docusaat bevatten, een wasachtige chemische stof die lading door de vloeistof kan transporteren.

De onderzoekers ontdekten dat de aanwezigheid van docusaat en een spanning over de ferrovloeistof resulteerde in een scheiding van elektrische ladingen, waarbij de ijzeroxide-nanodeeltjes negatief werden geladen. “Dat hadden we helemaal niet verwacht”, zegt Carlo Rigoni, postdoctoraal onderzoeker bij Aalto. “We weten nog steeds niet waarom het gebeurt. Sterker nog, we weten niet eens of de ladingen al worden gesplitst wanneer het docusaat wordt toegevoegd of dat het gebeurt zodra de spanning wordt ingeschakeld.”

Om de nieuwe gevoeligheid voor elektrische velden te weerspiegelen, noemen de onderzoekers de vloeistof een elektroferrovloeistof in plaats van alleen een ferrovloeistof. Deze elektrische respons zorgt ervoor dat de nanodeeltjes migreren, en de resulterende verschillen in nanodeeltjesconcentratie veranderen de magnetische responsiviteit van de elektroferrofluïde.

Als gevolg hiervan verandert het aanbrengen van een magnetisch veld over het elektroferrofluïdum de verdeling van de nanodeeltjes, waarbij het precieze patroon afhankelijk is van de sterkte en oriëntatie van het magnetische veld. Met andere woorden, de verdeling van nanodeeltjes is onstabiel en verschuift van de ene toestand naar de andere, aangedreven door een kleine verandering in het externe magnetische veld. De combinatie van spanning en docusaat transformeerde de vloeistof van een evenwichtssysteem in een niet-evenwichtssysteem dat constante energietoevoer vereist om zijn toestand te behouden – een dissipatief systeem.

Deze onverwachte dynamiek maakt elektroferrovloeistoffen bijzonder interessant, zowel wetenschappelijk als in termen van potentiële toepassingen. “Ferrofluïden hebben de aandacht getrokken van wetenschappers, ingenieurs en kunstenaars sinds hun ontdekking in de jaren zestig. Nu hebben we een echt gemakkelijke benadering gevonden om hun magnetische eigenschappen on-the-fly te regelen door gewoon een kleine spanning toe te passen om de vloeistof uit de thermodynamische Dit maakt een volledig nieuw niveau van controle van de vloeistofeigenschappen voor technologische toepassingen, complexiteit in de patroonvorming en misschien zelfs nieuwe artistieke benaderingen mogelijk”, zegt Jaakko Timonen, een professor in de experimentele fysica van de gecondenseerde materie bij Aalto, die toezicht hield op het onderzoek .

“Dissipatief rijden is het algemene mechanisme dat de patronen en structuren om ons heen creëert”, zegt Rigoni. “Het leven is een voorbeeld. Organismen moeten voortdurend energie afvoeren naar hun geordende toestand, en dat geldt ook voor de overgrote meerderheid van patronen en structuren in ecosystemen.”

Rigoni legt uit dat deze ontdekking een waardevol modelsysteem biedt voor onderzoekers die proberen de dissipatieve systemen en de patroonvorming die ze ondersteunen te begrijpen, of het nu gaat om levende organismen of complexe niet-levende systemen.

“De meeste dissipatieve systemen zijn erg complex. Het is bijvoorbeeld erg moeilijk om levende structuren terug te brengen tot een reeks eenvoudige parameters die het ontstaan ​​van bepaalde structuren zouden kunnen verklaren”, zegt Rigoni. De spanningsgestuurde ferrovloeistof kan worden gebruikt om de overgang naar een dissipatief systeem te bestuderen en te begrijpen hoe externe invloeden, zoals een magnetisch veld, op het systeem inwerken om structuren te genereren of te wijzigen. “Dit zou ons hints kunnen geven over hoe dissipatieve structuren in complexere contexten worden gecreëerd”, zegt Rigoni.

Naast zijn waarde in fundamenteel onderzoek, heeft de ontdekking ook potentiële praktische toepassingen. De mogelijkheid om het patroon en de distributie van nanodeeltjes te controleren is waardevol in een reeks technologieën, zoals optische rasters en e-ink-schermen, en het zeer lage stroomverbruik maakt deze benadering bijzonder aantrekkelijk. “Dit eerste onderzoek ging vooral over de basiswetenschap, maar we zijn al begonnen met werk dat zich richt op toepassingen”, zegt Rigoni.