Forskare vid Aalto-universitetet har visat att en nanopartikelsuspension kan fungera som en enkel modell för att studera bildandet av mönster och strukturer i mer komplicerade icke-jämviktssystem, som levande celler. Det nya systemet kommer inte bara att vara ett värdefullt verktyg för att studera mönstringsprocesser utan har också ett brett utbud av potentiella tekniska tillämpningar.

Blandningen består av en oljig vätska som bär nanopartiklar av järnoxid, som magnetiseras i ett magnetfält. Under de rätta förhållandena får nanopartiklarna att migrera genom att applicera en spänning över denna ferrofluid, vilket bildar en koncentrationsgradient i blandningen. För att detta ska fungera måste ferrofluiden även innehålla docusate, en vaxartad kemikalie som kan transportera laddning genom vätskan.

Forskarna upptäckte att närvaron av docusate och en spänning över ferrofluiden resulterade i en separation av elektriska laddningar, där järnoxidnanopartiklarna blev negativt laddade. "Vi förväntade oss inte alls det", säger Carlo Rigoni, postdoktor vid Aalto. "Vi vet fortfarande inte varför det händer. Faktum är att vi inte ens vet om laddningarna redan delas när dokumentet läggs till eller om det händer så snart spänningen slås på."

För att återspegla den nya känsligheten för elektriska fält kallar forskarna vätskan för en elektroferrofluid istället för enbart en ferrofluid. Denna elektriska reaktionsförmåga får nanopartiklarna att migrera, och de resulterande skillnaderna i nanopartikelkoncentration förändrar elektroferrofluidens magnetiska reaktionsförmåga.

Som ett resultat ändrar applicering av ett magnetfält över elektroferrofluiden fördelningen av nanopartiklarna, med det exakta mönstret beroende på styrkan och orienteringen av magnetfältet. Med andra ord är nanopartikelfördelningen instabil och skiftar från ett tillstånd till ett annat, driven av en liten förändring i det externa magnetfältet. Kombinationen av spänning och dokusat förvandlade vätskan från ett jämviktssystem till ett icke-jämviktssystem som kräver konstant energitillförsel för att bibehålla sitt tillstånd – ett dissipativt system.

Denna oväntade dynamik gör elektroferrofluider särskilt intressanta både vetenskapligt och i termer av potentiella tillämpningar. "Ferrofluids har uppmärksammats av vetenskapsmän, ingenjörer och konstnärer sedan de upptäcktes på 1960-talet. Nu har vi hittat ett verkligt enkelt tillvägagångssätt för att kontrollera deras magnetiska egenskaper i farten bara genom att applicera en liten spänning för att driva vätskan ur termodynamisk Detta möjliggör en helt ny nivå av kontroll av vätskeegenskaperna för tekniska tillämpningar, komplexitet i mönsterbildningen och kanske till och med nya konstnärliga tillvägagångssätt", säger Jaakko Timonen, professor i experimentell kondenserad materiens fysik vid Aalto, som ledde forskningen. .

"Avspridande körning är den allmänna mekanismen som skapar mönstren och strukturerna runt omkring oss", säger Rigoni. "Livet är ett exempel. Organismer måste ständigt sprida energi till sitt ordnade tillstånd, och det är också sant för de allra flesta mönster och strukturer i ekosystem."

Rigoni förklarar att denna upptäckt ger ett värdefullt modellsystem för forskare som försöker förstå dissipativa system och den mönsterbildning som de stöder, oavsett om det är i form av levande organismer eller komplexa icke-levande system.

"De flesta dissipativa system är mycket komplexa. Till exempel är det väldigt svårt att reducera levande strukturer till en uppsättning enkla parametrar som kan förklara uppkomsten av vissa strukturer", säger Rigoni. Den spänningsdrivna ferrofluiden kan användas för att studera övergången till ett dissipativt system och förstå hur yttre påverkan, såsom ett magnetfält, interagerar med systemet för att generera eller modifiera strukturer. "This could give us hints about how dissipative structures in more complex contexts are created," Rigoni says.

In addition to its value in fundamental research, the discovery also has potential practical applications. The ability to control the pattern and distribution of nanoparticles is valuable in a range of technologies, such as optical grids and e-ink screens, and the very low power consumption makes this approach especially attractive. "This initial research was mainly about the basic science, but we've already started work that focuses on applications," says Rigoni. + Utforska vidare

Ferrofluid surface simulations go more than skin deep