Magnetiska flimmerhår – konstgjorda hårstrån vars rörelse drivs av inbäddade magnetiska partiklar – har funnits ett tag och är av intresse för tillämpningar inom mjuk robotik, transport av föremål och blandning av vätskor. Men befintliga magnetiska flimmerhår rör sig på ett fast sätt.
Forskare har nu visat en teknik för att skapa magnetiska flimmerhår som kan "omprogrammeras" och ändra deras magnetiska egenskaper vid rumstemperatur för att ändra rörelsen hos flimmerhåren efter behov.
De flesta magnetiska cilia använder sig av "mjuka" magneter, som inte genererar ett magnetfält utan blir magnetiska i närvaro av ett magnetfält. Endast ett fåtal tidigare magnetiska flimmerhår har använt sig av "hårda" magneter, som kan producera sitt eget magnetfält.
En av fördelarna med att använda hårda magneter är att de kan programmeras, vilket innebär att man kan ge magnetfältet som genereras av materialet en specifik polarisation. Genom att kontrollera den magnetiska polariseringen – eller magnetiseringen – kan du i huvudsak diktera exakt hur flimmerhåren ska böjas när ett externt magnetfält appliceras.
"Det nya med det här arbetet är att vi har demonstrerat en teknik som gör att vi inte bara kan programmera magnetiska flimmerhår, utan också kontrollerat omprogrammera dem", säger Joe Tracy, motsvarande författare till en artikel om arbetet och professor i materialvetenskap och teknik. vid North Carolina State University.
"Vi kan ändra riktningen för materialets magnetisering vid rumstemperatur, vilket i sin tur gör att vi helt kan ändra hur flimmerhåren böjs. Det är som att få en simmare att ändra sitt slag."
För detta arbete skapade forskarna magnetiska cilia bestående av en polymer inbäddad med magnetiska mikropartiklar. Specifikt är mikropartiklarna neodymmagneter – kraftfulla magneter gjorda av neodym, järn och bor. Uppsatsen "Magnetic Reprogramming of Self-Assembled Hard-Magnetic Cilia" publiceras i tidskriften Advanced Materials Technologies .
För att göra flimmerhåren introducerar forskarna de magnetiska mikropartiklarna i en polymer löst i en vätska. Denna slurry exponeras sedan för ett elektromagnetiskt fält som är tillräckligt kraftfullt för att ge alla mikropartiklar samma magnetisering.
Genom att sedan applicera ett mindre kraftfullt magnetfält när den flytande polymeren torkar, kan forskarna kontrollera mikropartiklarnas beteende, vilket resulterar i bildandet av flimmerhår som regelbundet är fördelade över substratet.
"Denna regelbundet beställda cilia-mattan är initialt programmerad att bete sig på ett enhetligt sätt när den utsätts för ett externt magnetfält", säger Tracy. "Men det som verkligen är intressant här är att vi kan programmera om det beteendet, så att flimmerhåren kan återanvändas för att få en helt annan aktivering."
För att göra det bäddade forskarna först in flimmerhåren i is, vilket fixerar alla flimmerhåren i önskad riktning. Forskarna utsätter sedan flimmerhåren för ett dämpat, alternerande magnetfält som har effekten att störa magnetiseringen av mikropartiklarna. Med andra ord raderar de avsevärt den förprogrammerade magnetiseringen som delades av alla mikropartiklar när flimmerhåren tillverkades.
"Omprogrammeringssteget är ganska enkelt," säger Tracy. "Vi applicerar ett oscillerande fält för att återställa magnetiseringen och applicerar sedan ett starkt magnetfält på flimmerhåren som gör att vi kan magnetisera mikropartiklarna i en ny riktning."
"Genom att mestadels radera den initiala magnetiseringen, kan vi bättre programmera om magnetiseringen av mikropartiklarna", säger Matt Clary, första författare till uppsatsen och doktor. student vid NC State. "Vi visar i detta arbete att om du utelämnar det raderingssteget har du mindre kontroll över orienteringen av mikropartiklarnas magnetisering vid omprogrammering."
"Vi fann också att när magnetiseringen av mikropartiklarna är vinkelrät mot flimmerhårens långa axel, kan vi få flimmerhåren att "snäppa" i ett roterande fält, vilket innebär att de plötsligt ändrar sin orientering, säger Tracy.
Dessutom utvecklade forskargruppen en beräkningsmodell som gör det möjligt för användare att förutsäga böjningsbeteendet hos magnetiska flimmerhår baserat på hårda magneter, beroende på orienteringen av flimmerhårens polarisation.
"Denna modell kan användas i framtiden för att styra utformningen av hårdmagnetiska flimmerhår och relaterade mjuka ställdon", säger Ben Evans, medförfattare till uppsatsen och professor i fysik vid Elon University.
"I slutändan tror vi att detta arbete är värdefullt för fältet eftersom det tillåter återanvändning av magnetiska cilier för nya funktioner eller applikationer, särskilt i avlägsna miljöer," säger Tracy. "Metoder som utvecklats i detta arbete kan också tillämpas på det bredare fältet av magnetiska mjuka ställdon."
Tidningen var medförfattare av Saarah Cantu, en tidigare doktorand vid NC State; och Jessica Liu, en före detta Ph.D. student vid NC State.
Mer information: Matthew R. Clary et al, Magnetic Reprogramming of Self-Assembly Hard-Magnetic Cilia, Advanced Materials Technologies (2024). DOI:10.1002/admt.202302243
Journalinformation: Avancerad materialteknik
Tillhandahålls av North Carolina State University
