29.07.2019 juillet 3 - Un matériau révolutionnaire pourrait conduire à des dispositifs à fluide magnétique imprimables en XNUMXD pour la fabrication d'électronique flexible ou à des cellules artificielles qui fournissent des thérapies médicamenteuses ciblées aux cellules malades.

Les scientifiques du laboratoire de Berkeley ont créé un nouveau matériau à la fois liquide et magnétique, ouvrant la porte à un nouveau domaine scientifique de la matière douce magnétique. Leurs découvertes pourraient conduire à une classe révolutionnaire de dispositifs imprimables fluides pour une grande variété d'utilisations, des cellules artificielles qui fournissent des thérapies anticancéreuses ciblées aux robots fluides flexibles qui peuvent changer de forme pour s'adapter à leur environnement. (Vidéo: Marilyn Chung / Berkeley Lab; images de gouttelettes fournies par Xubo Liu et Tom Russell / Berkeley Lab)

Des inventeurs centenaires et des scientifiques d'aujourd'hui ont mis au point des moyens intelligents d'améliorer nos vies avec des aimants - de l'aiguille magnétique sur une boussole aux dispositifs de stockage de données magnétiques en passant par les scanners corporels IRM.

Toutes ces technologies sont basées sur des aimants en matériaux solides. Mais que se passerait-il si vous pouviez fabriquer un appareil magnétique à partir de liquides? À l'aide d'une imprimante 3D modifiée, une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a fait exactement cela. Leurs résultats, publiés le 19 juillet dans la revue Science, pourraient conduire à une classe révolutionnaire de dispositifs fluides imprimables pour une grande variété d'applications - des cellules artificielles qui fournissent des thérapies ciblées contre le cancer aux robots fluides flexibles qui peuvent changer de forme, pour s'adapter à leur environnement.

«Nous avons fabriqué un nouveau matériau à la fois liquide et magnétique. Personne ne l'a vu auparavant », a déclaré Tom Russell, chercheur invité au Berkeley Lab et professeur de science et d'ingénierie des polymères à l'Université du Massachusetts à Amherst, qui a dirigé l'étude. "Cela ouvre la porte à un nouveau domaine de la science de la matière molle magnétique."

Au cours des sept dernières années, Russell, qui dirige un programme appelé Assemblages d'interface adaptatifs pour la structuration des liquides dans la division Science des matériaux de Berkeley Lab et qui a dirigé l'étude actuelle, s'est concentré sur le développement d'une nouvelle classe de matériaux - imprimables 3D entièrement liquides. Structures.

Disposition des gouttelettes magnétiques millimétriques 1: Les gouttelettes vertes fluorescentes sont paramagnétiques sans nanoparticules se déposant à l’interface liquide. les rouges sont paramagnétiques avec des nanoparticules non magnétiques piégées à l'interface; Les gouttelettes brunes sont ferromagnétiques avec des nanoparticules magnétiques attachées à l'interface. (Source: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

Russell et Xubo Liu, l'auteur principal de l'étude, ont eu l'idée de créer des structures liquides à partir de ferrofluides, qui sont des solutions de particules d'oxyde de fer qui deviennent fortement magnétiques en présence d'un autre aimant. «Nous nous sommes demandé:« Si un ferrofluide peut temporairement devenir magnétique, que pouvons-nous faire pour le rendre de façon permanente magnétique, tout en ayant toujours l'air et la sensation d'un liquide. "Dit Russell.

Pour le savoir, Russell et Liu ont utilisé la technologie d'impression 3D, développée avec le chercheur postdoctoral Joe Forth dans le département Science des matériaux de Berkeley Lab, pour imprimer des gouttelettes millimétriques 1 à partir d'une solution de ferrofluide, les nanoparticules d'oxyde de fer. avec un diamètre de seulement 20 nanomètres (taille d'une protéine d'anticorps).

Les scientifiques Paul Ashby et Brett Helms de la fonderie moléculaire de Berkeley Labs ont démontré, à l'aide de la chimie de surface et de techniques sophistiquées de microscopie à force atomique, que les nanoparticules forment une coquille solide à l'interface entre les deux liquides par le biais d'un phénomène appelé "désordre interfacial". Les nanoparticules qui s'accumulent à la surface de la gouttelette ressemblent aux murs entourant une petite pièce remplie de monde.

Pour les rendre magnétiques, les scientifiques ont placé les gouttelettes dans une solution à l'intérieur d'une bobine magnétique. Comme prévu, la bobine magnétique a attiré les nanoparticules d'oxyde de fer.

Mais quand ils ont retiré le solénoïde, il s'est passé quelque chose d'assez inattendu.

Les nanoparticules d'oxyde de fer à aimantation permanente fusionnent parfaitement. (Source: Xubo Liu et al./Berkeley Lab)

Comme des flotteurs synchronisés, les gouttelettes se sont déplacées en parfaite harmonie et ont formé un vortex élégant "comme de petites gouttelettes dansantes", a déclaré Liu, étudiant diplômé de la division Science des matériaux de Berkeley Lab et doctorant à l'Université de technologie chimique de Beijing.

D'une manière ou d'une autre, ces gouttelettes étaient devenues magnétiques en permanence. "Nous ne pouvions presque pas y croire", a déclaré Russell. "Avant notre étude, les gens supposaient toujours que les aimants permanents ne pouvaient être fabriqués qu'à partir de solides."

Contrôles sans fin, - c'est toujours un aimant

Tous les aimants, grands ou petits, ont un pôle nord et un pôle sud. Les pôles opposés s'attirent tandis que les mêmes se repoussent.

À l'aide de mesures magnétométriques, les scientifiques ont constaté que tous les pôles nord-sud des nanoparticules, lorsque l'on place un champ magnétique dans une gouttelette, vont des milliards 70 de nanoparticules d'oxyde de fer flottant dans les gouttelettes à plusieurs milliards 1 à la surface de la gouttelette. , répondit à l'unisson, tout comme un aimant fixe.

Les nanoparticules d'oxyde de fer, qui se déposent à la surface de la gouttelette, sont décisives pour cette découverte. Avec seulement des nanomètres 8 entre les milliards de nanoparticules, ils forment ensemble une surface solide autour de chaque gouttelette de liquide.

D'une manière ou d'une autre, les nanoparticules bloquées à la surface, lorsqu'elles sont magnétisées, transfèrent cette orientation magnétique aux particules flottant dans le noyau, et la gouttelette entière devient magnétique en permanence - tout comme un solide, expliquent Russell et Liu.

Les chercheurs ont également découvert que les propriétés magnétiques de la gouttelette étaient préservées même lorsqu'elles divisaient une gouttelette en gouttelettes plus petites et plus fines, de la taille d'un cheveu humain, a ajouté Russell.

Pour rendre les nanoparticules d'oxyde de fer magnétiques en permanence, les scientifiques ont placé les gouttelettes dans une solution dans une bobine magnétique. Comme prévu, la bobine magnétique a attiré les nanoparticules d'oxyde de fer. (Source: Xubo Liu et al. / Berkeley Lab

Russell a noté que parmi les nombreuses propriétés étonnantes des gouttelettes magnétiques, elles changent de forme pour s'adapter à leur environnement. Ils se transforment d'une boule en cylindre, en crêpe, en tube très fin ou même en forme de poulpe - le tout sans perdre leurs propriétés magnétiques.

Les gouttelettes peuvent également être ajustées pour basculer entre un mode magnétique et un mode non magnétique. Et lorsque son mode magnétique est activé, ses mouvements peuvent être contrôlés à distance par un aimant externe, a ajouté Russell.

Liu et Russell prévoient de poursuivre leurs recherches au Berkeley Lab et dans d'autres laboratoires nationaux afin de développer des structures encore plus complexes de fluides magnétiques imprimées 3D, telles qu'une cellule artificielle imprimée par liquide ou une robotique miniature qui agit comme une minuscule hélice pour une propulsion non invasive mais ciblée. Livraison de fluides provenant de traitements médicamenteux directs pour les cellules malades.

"Ce qui a commencé comme une étrange observation a ouvert un nouveau champ scientifique", a déclaré Liu. «C'est ce dont rêvent tous les jeunes chercheurs, et j'ai eu la chance de travailler avec un grand groupe de scientifiques, soutenus par Berkeley Labs à partir d'installations d'utilisateurs de classe mondiale, pour en faire une réalité», a déclaré Liu.

Des chercheurs de l’Université de Santa Cruz, de l’Université de Berkeley, de l’Institut supérieur de recherche sur les matériaux (WPI-AIMR) de l’Université de Tohoku et de l’Université de technologie chimique de Beijing ont également participé à l’étude.

Les mesures de magnétométrie ont été effectuées avec le soutien du co-auteur de la division Science des matériaux de Berkeley Lab, Peter Fischer, responsable scientifique. Frances Hellman, scientifique principale et professeure de physique à l'Université de Berkeley; Robert Streubel, stagiaire postdoctoral; Noah Kent, étudiant au doctorat et étudiant au doctorat à l'UC Santa Cruz; et Alejandro Ceballos, doctorant et chercheur au Berkeley Lab de l’UC Berkeley.

Parmi les autres coauteurs figurent les scientifiques Paul Ashby et Brett Helms, ainsi que les chercheurs postdoctoraux Yu Chai et Paul Kim de la fonderie moléculaire de Berkeley Labs. Yufeng Jiang, doctorant au département de science des matériaux de Berkeley Lab; et Shaowei Shi et Dong Wang de l'Université de technologie chimique de Beijing.

Ce travail a été soutenu par le bureau de la science du DOE et a impliqué des recherches à la fonderie moléculaire, une installation utilisateur basée sur la science à l'échelle nanométrique du bureau de la science du DOE.

Le laboratoire national Lawrence Berkeley et ses scientifiques ont été fondés sur la conviction de 1931 que les plus grands défis scientifiques sont gérés au mieux par des équipes. Prix ​​Nobel 13 actuellement attribués. Les chercheurs de Berkeley Lab développent aujourd'hui des solutions énergétiques et environnementales durables, développent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les limites du domaine informatique et explorent les secrets de la vie, de la matière et de l'univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations de laboratoire pour leurs propres découvertes scientifiques. Le Berkeley Lab est un laboratoire national multi-programmes géré par l'Université de Californie pour l'Office of Science du US Department of Energy.

Le DOE Office of Science est le plus grand défenseur de la science fondamentale aux États-Unis et s’engage à relever certains des défis les plus pressants de notre époque.

Source: Text and Image - Lawrence Berkeley National Laboratory - Berkeley Lab Translation: Institute for Rare Earths and Metals - juillet 2019

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