Uppfinnare från tidigare århundraden och forskare av idag har hittat geniala sätt att göra våra liv bättre med magneter - från magnetnålen på en kompass till magnetiska datalagringsenheter och till och med MRI (magnetisk resonanstomografi) kroppsskanningsmaskiner.

Alla dessa teknologier är beroende av magneter gjorda av solida material. Men tänk om du kunde göra en magnetisk enhet av vätskor? Med en modifierad 3D-skrivare, ett team av forskare vid Berkeley Lab har gjort just det. Deras fynd, publiceras den 19 juli i tidskriften Vetenskap , kan leda till en revolutionerande klass av utskrivbara flytande enheter för en mängd olika applikationer från konstgjorda celler som levererar riktade cancerterapier till flexibla flytande robotar som kan ändra sin form för att anpassa sig till sin omgivning.

"Vi har gjort ett nytt material som är både flytande och magnetiskt. Ingen har någonsin observerat detta tidigare, sa Tom Russell, en gästforskare vid Berkeley Lab och professor i polymervetenskap och teknik vid University of Massachusetts, Amherst som ledde studien. "Detta öppnar dörren till ett nytt vetenskapsområde inom magnetisk mjuk materia."

Jamsessioner:gör magneter av vätskor

De senaste sju åren, Russell, som leder ett program som heter Adaptive Interfacial Assemblys Towards Structuring Liquids i Berkeley Labs Materials Sciences Division, har fokuserat på att utveckla en ny klass av material – 3D-utskrivbara helvätskestrukturer.

En dag, Russell och den aktuella studiens första författare Xubo Liu kom på idén att bilda flytande strukturer från ferrofluider, lösningar av järnoxidpartiklar som blir starkt magnetiska, men bara i närvaro av en annan magnet. "Vi undrade, om en ferrovätska kan bli tillfälligt magnetisk, vad kan vi göra för att göra det permanent magnetiskt, och beter sig som en solid magnet men ändå ser ut och känns som en vätska?" sa Russell.

Att få reda på, Russell och Liu – en doktorandforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och en doktorand vid Beijing University of Chemical Technology – använde en 3-D-utskriftsteknik som de hade utvecklat tillsammans med den tidigare postdoktorn Joe Forth vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning för att skriv ut 1 millimeter droppar från en ferrofluidlösning som innehåller järnoxid-nanopartiklar bara 20 nanometer i diameter (medelstorleken på ett antikroppsprotein.)

Med hjälp av ytkemi och sofistikerade tekniker för atomkraftsmikroskopi vid Molecular Foundry, medförfattarna Paul Ashby och Brett Helms från Berkeley Lab avslöjade att nanopartiklarna bildade ett fast-liknande skal vid gränssnittet mellan de två vätskorna genom ett fenomen som kallas "gränssnittsstörning, "som får nanopartiklarna att trängas vid droppens yta, "som väggarna möts i ett litet rum fullproppat med människor, " sa Russell.

För att göra dem magnetiska, forskarna placerade dropparna vid en magnetisk spole i lösning. Som förväntat, magnetspolen drog järnoxidnanopartiklarna mot sig.

Men när de tog bort magnetspolen, något ganska oväntat hände.

Som synkronsimmare, dropparna drogs mot varandra i perfekt unisont, bildar en elegant virvel. "Som små dansande droppar, " sa Liu.

På något sätt, dessa droppar hade blivit permanent magnetiska. "Vi kunde nästan inte tro det, sade Russell. "Innan vi studerade, folk antog alltid att permanentmagneter bara kunde tillverkas av fasta ämnen."

Mått för mått, det är fortfarande en magnet

Alla magneter, oavsett hur stor eller liten, har en nordpol och en sydpol. Motsatta poler attraheras av varandra, medan samma poler stöter bort varandra.

Genom magnetometrimätningar, forskarna fann att när de placerade ett magnetfält vid en droppe, alla nanopartiklarnas nord-sydliga poler, från de 70 miljarder järnoxidnanopartiklar som flyter runt i droppen till 1 miljard nanopartiklar på droppens yta, svarade unisont, precis som en solid magnet.

Nyckeln till denna upptäckt var nanopartiklarna av järnoxid som fastnade tätt ihop vid droppens yta. Med bara 8 nm mellan varje miljard nanopartiklar, tillsammans skapade de en fast yta runt varje vätskedroppe. På något sätt, när de fastnade nanopartiklarna på ytan magnetiseras, de överför denna magnetiska orientering till partiklarna som simmar runt i kärnan, och hela droppen blir permanent magnetisk, precis som en solid, Russell och Liu förklarade.

Forskarna fann också att droppens magnetiska egenskaper bevarades, även om de delade en droppe i mindre, tunnare droppar ungefär lika stora som ett människohår, tillade Russell.

Bland de magnetiska dropparnas många fantastiska egenskaper, vad som sticker ut ännu mer, Russell noterade, är att de ändrar form för att anpassa sig till sin omgivning, förvandlas från en sfär till en cylinder till en pannkaka, eller ett rör så tunt som ett hårstrå, eller till och med i form av en bläckfisk – allt utan att förlora sina magnetiska egenskaper.

Dropparna kan också ställas in för att växla mellan ett magnetiskt läge och ett icke-magnetiskt läge. Och när deras magnetiska läge är på, deras rörelser kan fjärrstyras enligt instruktioner från en extern magnet, tillade Russell.

Liu och Russell planerar att fortsätta forskningen vid Berkeley Lab och andra nationella laboratorier för att utveckla ännu mer komplexa 3D-tryckta magnetiska vätskestrukturer, såsom en vätsketryckt konstgjord cell, eller miniatyrrobotik som rör sig som en liten propeller för icke-invasiv men riktad leverans av läkemedelsterapier till sjuka celler.

"Det som började som en nyfiken observation slutade med att öppna ett nytt vetenskapsområde, " sa Liu. "Det är något alla unga forskare drömmer om, och jag hade turen att få chansen att arbeta med en stor grupp forskare som stöds av Berkeley Labs användarfaciliteter i världsklass för att göra det till verklighet, sa Liu.