Магнітна рідина допомогла зробити поверхню для управління краплями
Кероване рух немагнітних частинок з використанням текстурованою поверхні, покритої магнітною рідиною
W. Wang et al./ Nature, 2018
Фізики розробили багатофункціональну поверхню для управління колоїдними об'єктами за допомогою магнітного поля. Ця поверхня являє собою масив мікрометрових борозенок заповнених магнітною рідиною. За рахунок дії магнітних і капілярних сил при включенні неоднорідного магнітного поля змінюється стан рідини, що дозволяє управляти тертям і адгезійними властивостями поверхні. Використовувати ці структури можна для управління рухом частинок і крапель, змішування їх між собою, а також перекачування рідин або очищення поверхонь від забруднень, пишуть вчені в Nature.
Феромагнітна (або просто магнітна) рідина являє собою концентровану суспензію магнітних наночастинок. У зовнішньому магнітному полі крапля такої суспензії сильно поляризується, і через високу магнітної сприйнятливості на її поверхні виникає впорядкована система складок або голок, які вишиковуються уздовж ліній напруженості магнітного поля і надають краплі форму їжака.
магнітна рідина
Andrew Magill / flickr
Як правило, магнітні рідини застосовуються в електронних пристроях для відводу тепла або зниження тертя в приладах з магнітними елементами, однак також їх намагаються використати для медичних цілей і в оптичних пристроях.Група фізиків з США, Німеччини, Фінляндії та Норвегії під керівництвом Джоани Айзенберг (Joanna Aizenberg) з Гарвардського університету запропонувала використовувати можливість зміни стану поверхні магнітної рідини за допомогою зовнішнього поля для створення багатофункціональних поверхонь із змінним тертям для управління рухом колоїдних частинок. Для створення такого матеріалу вчені нанесли магнітну рідину (що складається з частинок магнетиту Fe3O4 в силіконовому маслі) на текстуровану поверхню, розділену на осередки за допомогою масиву вертикальних стінок висотою в кілька десятків мікрометрів. Обсяг наноситься магнітної рідини розраховувався таким чином, що при відсутності зовнішнього поля вона повністю заповнювала клітинки і на текстурою ще залишався невеликий рівний шар.
Схема структури поверхні
W. Wang et al./ Nature, 2018
Варіюючи зовнішнє магнітне поле, фізики могли змінювати стан краплі магнітної рідини: без поля рідина розтікалася по поверхні і при його включенні приймала форму їжака. Неоднорідне магнітне поле після включення діє на краплю в кілька стадій: спочатку на її поверхні виникають складки і голки розміром від 1 до 20 міліметрів, потім та рідина, яка залишається всередині осередків, за рахунок тиску з боку магнітного поля виходить з пор назовні, але після цього через капілярного просочення розтікається по поверхневим мікроканали назовні.Таким чином на поверхні формується рельєф з яскраво вираженими міліметровими підвищеннями і ямками, найбільші з яких виникають в центрі краплі, а частина текстурованою поверхні, просоченої рідиною, виявляється відкритою. Точний розмір і форма особливостей рельєфу на поверхні рідини при цьому залежать від її власних властивостей (складу і концентрації магнітних частинок або в'язкості і поверхневого натягу рідкого середовища), а також від властивостей текстури на поверхні - розміри і напрямки вертикальних стінок - і розподілу і сили неоднорідного магнітного поля.
Зміна швидкості руху краплі (зліва) по поверхні за рахунок зміни форми краплі магнітної рідини при виключенні магнітного поля. Відео прискорено в 100 разів.
W. Wang et al./ Nature, 2018
Керуючи станом магнітної рідини, можна змінювати властивості всієї поверхні: її тертя, поверхневе ковзання і адгезійні характеристики. Цей механізм вчені запропонували використовувати для управління колоїдними системами: рухом частинок у водному середовищі, швидкістю переміщення крапель рідини по поверхні, керованої затримкою при змішуванні декількох крапель різних водних розчинів.Змішування крапель двох водних розчинів. Часом початку змішування можна керувати за допомогою руйнування оболонки крапель, що складається з магнітної рідини за допомогою магнітного поля. Відео прискорено в 4 рази
W. Wang et al./ Nature, 2018
Крім того, подібну текстуровану поверхню з магнітною рідиною дослідники використовували як елемент декількох пристроїв з рухомими деталями. Наприклад, в одному з них дія магнітного поля на магнітну рідину призводить до зменшення тертя і прискорення руху, а в іншому за допомогою магнітного поля можна перекачувати рідину з однієї ємності в іншу.Вчені відзначають, що кожен із запропонованих прикладів використання в подальшому може бути розвинений до повноцінної технології. Більш того, у запропонованого підходу багато і інших областей застосування - від мікрофлюідікі до температурного контролю і очищення поверхонь від забруднень.
Магнітні рідини нерідко пропонують використовувати в якості різних функціональних елементів різних механічних і електричних пристроїв. Наприклад, недавно американські фізики розробили новий тип іонних двигунів для космічних апаратів, в яких робочим тілом виступає іонна магнітна рідина. Завдяки цьому вдалося значно скоротити розміри двигунів.
Олександр Дубов
Наше деловое сообщество https://artmisto.net/. Запустив новый сайт, "Buddy.Bet" обещает своим клиентам незабываемые моменты и шанс выиграть большие деньги.