새로운 매력의 법칙 : 과학자들이 자기 액체 방울을 인쇄합니다.

[아름이]

새로운 매력의 법칙 : 과학자들이 자기 액체 방울을 인쇄합니다.

수세기의 발명가와 오늘날의 과학자들은 나침반의 자성 바늘부터 자기 데이터 저장 장치 및 심지어 MRI (자기 공명 영상) 바디 스캔 기계까지 자석을 통해 더 나은 삶을 영위 할 수있는 독창적 인 방법을 발견했습니다.

이러한 모든 기술은 견고한 재료 로 만든 자석에 의존합니다 . 그러나 자기 장치를 액체로 만들 수 있다면 어떨까요? 수정 된 3D 프린터를 사용하여 Berkeley Lab의 한 과학자 팀이이를 수행했습니다. Science 지에 7 월 19 일자로 발표 될이 연구 결과 는 표적 암 치료제를 주변 환경에 맞게 변형 할 수있는 유연한 액체 로봇에 전달하는 인공 세포에서부터 다양한 용도로 인쇄 할 수있는 액체 장치의 혁명적 인 클래스로 이어질 수있다. .

버클리 연구소의 방문 교수 과학자이자 매사추세츠 대학 (University of Massachusetts)의 고분자 과학 및 공학 교수 인 애 머스트 (Amherst)의 토마스 러셀 (Tom Russell)은 "우리는 액체와 자성의 새로운 물질을 만들었습니다. 연구를 이끌었다. "이것은 연약한 물질로 새로운 과학 영역의 문을 열었습니다."

잼 세션 : 액체에서 자석을 없애기

지난 7 년 동안 버클리 연구소의 재료 과학 부문에서 액상 구조화를위한 어댑티브 인터페이스 어셈블리 (Adaptive Interfacial Assemblies)라는 프로그램을 이끌고있는 러셀 (Russell)은 3-D 인쇄 가능한 모든 액체 구조의 새로운 종류의 재료 개발에 주력해 왔습니다.

어느 날 Russell과 현재 연구의 첫 저자 인 Xubo Liu는 강자성체가되는 철 산화물 입자의 용액 인 ferrofluids로부터 액체 구조를 만드는 아이디어를 생각해 냈습니다. 그러나 다른 자석이있는 경우에만 가능했습니다. "우리는 자성 유체가 일시적으로 자성이 될 수 있는지 궁금해했습니다. 자성을 영구 자석으로 만들려면 어떻게해야합니까? 단단한 자석처럼 행동하지만 액체처럼 보입니다." 러셀은 말했다.

Berkeley Lab의 Materials Sciences Division의 대학원생 연구원이자 북경 화학 기술 대학의 박사 과정 학생 인 Russell과 Liu는 버클리 연구소의 박사후 연구원이었던 Joe Forth와 함께 개발 한 3D 인쇄 기법 을 사용했습니다 Materials Sciences Division은 직경 20 나노 미터 (항체 단백질의 평균 크기) 인 산화철 나노 입자가 함유 된 철 용액에서 1 밀리미터의 물방울을 인쇄했습니다.

버클리 연구소의 공동 저자 인 폴 애쉬 비 (Paul Ashby)와 브렛 헬름 (Brett Helms)은 분자 화학 주조 에서 표면 화학 및 정교한 원자 힘 현미경 기법 을 사용하여 나노 입자가 "계면 재밍 (interfacial jamming)"현상을 통해 두 액체 사이의 경계면에 단단한 껍질을 형성하고, "이것은 나노 입자가 물방울 표면에 군중을 몰아 치게한다."작은 방에 사람들이 모여있는 벽과 같이 "러셀은 말했다.

자석을 만들기 위해 과학자들은 액체 방울을 자기 코일로 배치했습니다. 예상대로, 자기 코일은 산화철 나노 입자를 끌어 당겼다.

그러나 자기 코일을 제거했을 때, 예상치 못한 일이 일어났습니다.

동기식 수영 선수처럼, 물방울은 완벽한 조화로 서로를 향해 중력을 가하여 우아한 소용돌이를 형성합니다. "작은 춤추는 물방울처럼,"리우는 말했다.

어쨌든,이 물방울들은 영구적으로 자성이되었습니다. 러셀은 "우리는 거의 그것을 믿을 수 없었다. "우리 연구 전에 사람들은 항상 영구 자석은 고체로만 만들 수 있다고 생각했습니다."

측정에 의한 측정, 그것은 여전히 ​​자석이다.

아무리 크거나 작든 모든 자석에는 북극 과 남극이 있습니다. 반대편 폴은 서로 끌어 당기고, 같은 폴은 서로 밀어냅니다.

자력 계측 측정을 통해 과학자들은 물방울 주위에 떠있는 700 억 개의 산화철 나노 입자에서 물방울 표면의 10 억 개의 나노 입자에 이르기까지 물방울로 자기장을 놓으면 나노 입자의 모든 남북 극을 발견했다 , 솔리드 자석처럼 조화롭게 반응했습니다.

이 발견의 핵심은 철 산화물 나노 입자가 물방울의 표면에 단단히 붙어있는 것이었다. 수십억 개의 나노 입자 사이에 단지 8nm 만 있으면, 그들은 함께 각각의 액체 방울 주위에 단단한 표면을 만들 수 있습니다. 여하튼, 표면의 걸린 나노 입자가 자화 될 때, 그들은이 자성 배향을 핵 주위를 돌고있는 입자들로 옮기고, 전체 방울은 고체처럼 영구적으로 자란다, 러셀 (Russell)과 리우 (Liu)는 설명했다.

연구진은 또한 작은 물방울을 인간의 머리카락의 크기에 대해 더 작고 더 얇은 물방울로 나누어도 물방울의 자기 적 성질이 보존되었다는 것을 발견했다.

러셀은 자기 방울이 많은 놀라운 특성들 중에서도 훨씬 더 두드러진 점은 주변 환경에 적응하기 위해 모양을 바꾸거나 구형에서 실린더로, 팬케이크로 변형 시키거나 머리카락처럼 얇은 튜브를 사용한다는 것입니다 , 심지어는 문어의 모양까지 - 모든 자기 속성을 잃지 않고.

액적 '은 또한 자성 모드와 비자 성 모드 사이를 전환하도록 조정될 수있다. 그리고 자기 모드가 켜지면, 외부 자석에 의해 지시 된대로 그들의 움직임을 원격 조정할 수 있다고 Russell은 덧붙였다.

Liu와 Russell은 버클리 연구소 및 기타 국립 연구소에서 액상 인쇄 인공 세포 또는 비 침습적이지만 타깃이 작은 소형 프로펠러처럼 움직이는 소형 ​​로봇과 같은 더욱 복잡한 3 차원 인쇄 자성 유체 구조를 개발하기위한 연구를 계속할 계획입니다 병에 걸린 세포에 약물 요법의 전달.

호기심 많은 관찰로 시작된 것은 새로운 과학 영역을 열어 버렸습니다. "이것은 젊은 연구자들이 꿈꾸는 것입니다. 버클리 랩의 세계적 수준의 사용자 시설이 지원하는 훌륭한 과학자 그룹과 협력하여 현실로 만들 수있는 기회가 생겼다는 것이 행운이었습니다."라고 Liu는 말했습니다.