MIT-forskare har upptäckt ett fenomen som kan utnyttjas för att kontrollera rörelsen av små partiklar som flyter i suspension. Detta tillvägagångssätt, som helt enkelt kräver att ett externt elektriskt fält appliceras, kan i slutändan leda till nya sätt att utföra vissa industriella eller medicinska processer som kräver separation av små suspenderade material.

Fynden är baserade på en elektrokinetisk version av fenomenet som ger kurvbollar sin kurva, känd som Magnuseffekten. Zachary Sherman Ph.D. '19, som nu är postdoc vid University of Texas i Austin, och MIT-professorn i kemiteknik James Swan beskriver det nya fenomenet i en artikel som publicerades denna vecka i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Magnus-effekten gör att ett snurrande föremål dras i en riktning som är vinkelrät mot dess rörelse, som i kurvan; den är baserad på aerodynamiska krafter och verkar i makroskopiska skalor – dvs. på lätt synliga föremål — men inte på mindre partiklar. Det nya fenomenet, inducerad av ett elektriskt fält, kan driva partiklar ner till nanometerskala, flytta dem i en kontrollerad riktning utan kontakt eller rörliga delar.

Upptäckten kom som en överraskning, när Sherman testade någon ny simuleringsprogramvara för interaktionen mellan små nanoskaliga partiklar som han utvecklade, inom magnetiska och elektriska fält. Testfallet han studerade handlar om att placera laddade partiklar i en elektrolytisk vätska, som är vätskor med joner, eller laddade atomer eller molekyler, i dem.

Det var känt, han säger, att när laddade partiklar bara några tiotals till hundratals nanometer i diameter placeras i sådana vätskor förblir de suspenderade i den istället för att sedimentera, bildar en kolloid. Joner samlas sedan runt partiklarna. Den nya programvaran simulerade framgångsrikt denna jonklustring. Nästa, han simulerade ett elektriskt fält över materialet. Detta skulle förväntas inducera en process som kallas elektrofores, vilket skulle driva fram partiklarna i riktning mot det applicerade fältet. På nytt, programvaran simulerade processen korrekt.

Då bestämde sig Sherman för att driva det ytterligare, och ökade gradvis styrkan på det elektriska fältet. "Men så såg vi den här roliga saken, " säger han. "Om fältet var tillräckligt starkt, du skulle få normal elektrofores för en liten stund, men då skulle kolloiderna spontant börja snurra." Och det är där Magnus-effekten kommer in.

Inte bara partiklarna snurrade i simuleringarna när de rörde sig, men "dessa två rörelser kopplade ihop, och den snurrande partikeln skulle avvika från sin väg, " säger han. "Det är lite konstigt, eftersom du applicerar en kraft i en riktning, och sedan rör sig saken i en ortogonal [rätt vinkel] riktning mot det du har specificerat." Det är direkt analogt med vad som händer aerodynamiskt med snurrande bollar, han säger. "Om du kastar en kurvboll i baseboll, den går åt det hållet du kastade den, men sen svänger det också av. Så det här är en sorts mikroskopisk version av den välkända makroskopiska Magnus-effekten."

När det applicerade fältet var tillräckligt starkt, de laddade partiklarna tog en stark rörelse i riktningen vinkelrät mot fältet. Detta kan vara användbart, han säger, eftersom med elektrofores "partikeln rör sig mot en av elektroderna, och du stöter på det här problemet där partikeln kommer att röra sig och sedan kommer den att springa in i elektroden, och det kommer att sluta röra sig. Så du kan inte generera en kontinuerlig rörelse med bara elektrofores."

Istället, eftersom denna nya effekt går i rät vinkel mot det applicerade fältet, den kan till exempel användas för att driva fram partiklar längs en mikrokanal, helt enkelt genom att placera elektroder på toppen och botten. På det sättet, han säger, partikeln kommer "bara röra sig längs kanalen, och det kommer aldrig att stöta in i elektroderna." Det gör det, han säger, "egentligen ett mer effektivt sätt att styra rörelsen av mikroskopiska partiklar."

Det finns två olika typer av exempel på processer där denna förmåga kan komma väl till pass, han säger. En är att använda partikeln för att leverera någon form av "last" till en specifik plats. Till exempel, partikeln kan vara fäst vid ett terapeutiskt läkemedel "och du försöker få den till en målplats som behöver den drogen, men du kan inte få drogen där direkt, " säger han. Eller så kan partikeln innehålla någon sorts kemisk reaktant eller katalysator som måste riktas till en specifik kanal för att utföra sin önskade reaktion.

Det andra exemplet är ungefär det omvända till den processen:att plocka upp något slags målmaterial och ta tillbaka det. Till exempel, en kemisk reaktion för att generera en produkt kan också generera många oönskade biprodukter. "Så du behöver ett sätt att få ut en produkt, " säger han. Dessa partiklar kan användas för att fånga upp produkten och sedan extraheras med hjälp av det applicerade elektriska fältet. "På detta sätt fungerar de som små dammsugare, " säger han. "De hämtar det du vill ha, och sedan kan du flytta dem någon annanstans, och släpp sedan produkten där det är lättare att samla in."

Han säger att denna effekt bör gälla för ett brett spektrum av partikelstorlekar och partikelmaterial, och teamet kommer att fortsätta att studera hur olika materialegenskaper påverkar rotationshastigheten eller translationshastigheten för denna effekt. Grundfenomenet bör gälla praktiskt taget alla kombinationer av material för partiklarna och vätskan de är suspenderade i, så länge som de två skiljer sig från varandra i termer av en elektrisk egenskap som kallas dielektricitetskonstanten.

Forskarna tittade på material med en mycket hög dielektricitetskonstant, såsom metallpartiklar, suspenderad i en mycket lägre ledande elektrolyt, såsom vatten eller oljor. "Men du kanske också kan se detta med vilka två material som helst som har en kontrast" i dielektrisk konstant, Sherman säger, till exempel med två oljor som inte blandas och därmed bildar suspenderade droppar.