Различные типы капель, которые были созданы в экспериментах. Диаметр капель – один миллиметр.
Изобретатели постоянно улучшают нашу жизнь с помощью магнитов. Каким был бы мир сейчас, не будь у него магнитной стрелки на компасе или, например, устройств для хранения данных и аппаратов МРТ для сканирования тела.
Все эти технологии основаны на использовании магнитов, которые существуют исключительно в виде твёрдых материалов. Но может ли устройство, генерирующее постоянное магнитное поле, иметь механические свойства жидкости? Таким вопросом задались учёные из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и в ходе своих научных изысканий фактически породили абсолютно новое направление в материаловедении.
Поясним, что условно магнитные жидкости можно увидеть, например, в научных музеях. Это ферромагнитные жидкости, которые состоят из наночастиц магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Однако в отсутствие магнитного поля такие вещества не сохраняют так называемой остаточной намагниченности. В то же время каждый в детстве играл с твердотельными магнитами, которые отлично прилипали к металлическим поверхностям, и им для этого внешнее магнитное поле не требовалось.
В ходе новой работы исследователям удалось создать первые "постоянно магнитные" жидкости, которые, как нетрудно догадаться, открывают совершенно новые возможности для электроники и робототехники.
"Мы создали новый материал, который является одновременно жидким и магнитным. Никто никогда не наблюдал ничего подобного раньше. Мы задавались вопросом: если магнитная жидкость может быть временно магнитной, что мы могли бы сделать, чтобы она стала постоянно магнитной и действовала как твёрдый магнит, но при этом выглядела бы как жидкость", – рассказывает ведущий автор исследования Том Рассел (Tom Russell).
Его команда начала с трёхмерной печати миллиметровых капель магнитной жидкости, каждая из которых содержала миллиарды наночастиц оксида железа диаметром 20 нанометров. Их поместили в другую жидкость, которая образовала с каплями суспензию.
Изучив полученные "растворы" при помощи методов химии поверхности и атомно-силовой микроскопии, специалисты обнаружили, что наночастицы "столпились" у поверхности капель, образовав на границе раздела между двумя жидкостями своего рода оболочку. Это явление учёные назвали межфазным заклиниванием.
Затем команда "активировала" магнитные свойства капель при помощи магнитной катушки. Как и ожидалось, катушка притянула к себе наночастицы оксида железа (что происходит со всеми ферромагнитными жидкостями).
Но когда учёные удалили магнитную катушку, поведение капель сильно изменилось. Если бы речь шла об обычной ферромагнитной жидкости, поведение наночастиц было бы беспорядочным. Однако в данном случае капли сохранили магнитные свойства и продолжали притягиваться друг к другу. Подобно пловцам-синхронистам, они образовали изящный танцующий вихрь, рассказывают исследователи.
"Мы почти не могли в это поверить, – вспоминает Рассел. – До нашего исследования всегда предполагалось, что постоянные магниты могут быть изготовлены только из твёрдых веществ".
Изучив магнитометрию (характеристики магнитного поля и магнитные свойства) капель, команда выяснила, почему так произошло. Каждая наночастица оксида железа в каждой капле среагировала на внешнее магнитное поле (порождённое катушкой): последнее заставило магнитные полюсы наночастиц "выстроиться" в одном направлении. И, поскольку большинство из них располагалось на поверхности капель, они по сути образовали твёрдую магнитную оболочку (между наночастицами было расстояние всего в восемь нанометров).
Впоследствии "внешние" частицы также заставили сменить магнитную ориентацию "внутренние" частицы в ядрах капель, которые первоначально были защищены от воздействия катушки. Таким образом, все капли постепенно становились "постоянно магнитными", как твёрдые тела.
Дальнейшие эксперименты показали, что капли сохраняли магнитные свойства практически в любой форме – при разделении на более мелкие (толщиной в человеческий волос), когда принимали форму сферы, цилиндра, "блинчика" и даже трубки.
Более того, выяснилось, что магнитные свойства этих капель можно "включать" и "выключать", а в "магнитном режиме" их движениями можно управлять дистанционно с помощью внешнего магнита.
Авторы отмечают, что эта и последующие работы по сути откроют новую область научных исследований. В будущем команда надеется создать классы "постоянно магнитных" жидкостей для разных применений – от робототехники (гибкие и даже "жидкие" микроботы, меняющие форму и управляемые внешним магнитным полем) до медицины (печать искусственных клеток, которые, к примеру, могут обеспечить целевую терапию рака).
Подробнее эта прорывная работа описывается в статье, представленной в журнале Science.
Кстати, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о первом "плоском" магните и о том, как маленькая катушка помогла создать рекордно мощное магнитное поле.
