Sintonizar un fluido magnético con un campo eléctrico crea patrones disipativos controlables

Investigadores de la Universidad de Aalto han demostrado que una suspensión de nanopartículas puede servir como un modelo simple para estudiar la formación de patrones y estructuras en sistemas de desequilibrio más complicados, como las células vivas. El nuevo sistema no solo será una valiosa herramienta para el estudio de los procesos de estandarización, sino que también tendrá una amplia gama de posibles aplicaciones tecnológicas.

La mezcla consiste en un líquido aceitoso que lleva nanopartículas de óxido de hierro, que se magnetiza en un campo magnético. En las condiciones adecuadas, aplicar un voltaje a este ferrofluido hace que las nanopartículas migren, formando un gradiente de concentración en la mezcla. Para que esto funcione, el ferrofluido también debe incluir docusato, un químico ceroso que puede transportar carga a través del fluido.

Los investigadores encontraron que la presencia de docusato y un voltaje a través del ferrofluido resultó en una separación de las cargas eléctricas, con las nanopartículas de óxido de hierro cargadas negativamente. «No esperábamos esto en absoluto», dice Carlo Rigoni, investigador postdoctoral en Aalto. «Todavía no sabemos por qué sucede esto. De hecho, ni siquiera sabemos si las cargas ya se dividen cuando se agrega el docusato o si lo hacen tan pronto como se enciende el voltaje».

Para reflejar la nueva sensibilidad a los campos eléctricos, los investigadores llaman al fluido electroferrofluido en lugar de simplemente ferrofluido. Esta capacidad de respuesta eléctrica hace que las nanopartículas migren y las diferencias resultantes en la concentración de nanopartículas alteran la capacidad de respuesta magnética del electroferrofluido.

Como resultado, la aplicación de un campo magnético a través de un electroferrofluido cambia la distribución de las nanopartículas, con un patrón preciso dependiendo de la fuerza y ​​orientación del campo magnético. En otras palabras, la distribución de nanopartículas es inestable, cambiando de un estado a otro, impulsada por un pequeño cambio en el campo magnético externo. La combinación de voltaje y docusato transformó el fluido de un equilibrio sistema en un sistema desequilibrado que requiere una entrada constante de energía para mantener su estado: un sistema disipativo.

Esta dinámica inesperada hace que los electroferrofluidos sean particularmente interesantes, tanto científicamente como en términos de aplicaciones potenciales. «Los ferrofluidos han llamado la atención de científicos, ingenieros y artistas desde su descubrimiento en la década de 1960. Ahora, hemos encontrado un enfoque realmente fácil para controlar sus fluidos. Propiedades magnéticas en ese momento, simplemente aplicando un pequeño voltaje para sacar el fluido del equilibrio termodinámico. Esto permite un nivel completamente nuevo de control sobre las propiedades de los fluidos para aplicaciones tecnológicas, complejidad en la formación de patrones y quizás incluso nuevos enfoques artísticos «, dice Jaakko Timonen, profesor de física experimental de materia condensada en Aalto, quien supervisó la investigación.

“La dirección disipativa es el mecanismo general que crea los patrones y estructuras que nos rodean”, dice Rigoni. «La vida es un ejemplo. Los organismos tienen que disipar energía continuamente a su estado ordenado, y esto también es cierto para la gran mayoría de patrones y estructuras en los ecosistemas».

Rigoni explica que este descubrimiento proporciona un sistema modelo valioso para los investigadores que intentan comprender los sistemas disipativos y la formación de patrones que apoyan, ya sea en forma de organismos vivos o sistemas no vivos complejos.

“La mayoría de los sistemas disipativos son muy complejos. Por ejemplo, es muy difícil reducir las estructuras vivas a un conjunto de parámetros simples que podrían explicar la apariencia de ciertas estructuras ”, dice Rigoni. El ferrofluido impulsado por voltaje se puede utilizar para estudiar la transición a un sistema disipativo y comprender cómo las influencias externas, como un campo magnético, interactuar con el sistema para generar o modificar estructuras. “Esto podría darnos pistas sobre cómo se crean las estructuras disipativas en contextos más complejos”, dice Rigoni.

Además de su valor en la investigación fundamental, el descubrimiento también tiene aplicaciones prácticas potenciales. La capacidad de controlar el patrón y la distribución de nanopartículas es valiosa en una variedad de tecnologías, como rejillas ópticas y pantallas de tinta electrónica, y el muy bajo consumo de energía hace que este enfoque sea especialmente atractivo. “Esta investigación inicial se centró principalmente en la ciencia básica, pero ya hemos comenzado a trabajar con un enfoque en las aplicaciones”, dice Rigoni.