Cientistas criam o primeiro líquido magnético
Inventores de séculos passados e cientistas de hoje descobriram maneiras engenhosas de tornar nossas vidas melhores com ímãs – desde a agulha magnética em uma bússola até dispositivos magnéticos de armazenamento de dados e até máquinas de tomografia computadorizada de ressonância magnética.
Todas essas tecnologias dependem de ímãs feitos de materiais sólidos. Mas e se você pudesse fazer um dispositivo magnético com líquidos?
Usando uma impressora 3D modificada, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) fez exatamente isso. Suas descobertas, que foram publicadas no início desta semana na revista Science, podem levar a uma classe revolucionária de dispositivos para impressão de líquidos para uma variedade de aplicações – incluindo células artificiais que fornecem terapias específicas para o câncer.
Campo magnético externo
Isso significa que, aplicando um campo magnético externo, os cientistas podem controlar dispositivos de líquidos feitos dessa maneira, “como acenar a varinha de Harry Potter”.
“Fizemos um novo material que é líquido e magnético. Ninguém jamais observou isso antes”, disse Tom Russell, cientista visitante do Berkeley Lab e professor de ciência e engenharia de polímeros na Universidade de Massachusetts, Amherst, que liderou o estudo.
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“Isso abre as portas para uma nova área da ciência na matéria macia magnética.”
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Nos últimos sete anos, Russell, que lidera um programa chamado Assemblies Interfaciais Adaptativos para Estruturação de Líquidos, concentrou-se no desenvolvimento de uma nova classe de materiais – estruturas totalmente líquidas imprimíveis em 3D.
Russell e Xubo Liu, o principal autor do estudo, tiveram a ideia de formar estruturas líquidas a partir de ferrofluidos, que são soluções de partículas de óxido de ferro que se tornam fortemente magnéticas na presença de outro ímã.
“Nós nos perguntamos: ‘Se um ferrofluido pode se tornar temporariamente magnético, o que poderíamos fazer para torná-lo permanentemente magnético, e se comportar como um ímã sólido, mas ainda parecer e se sentir como um líquido?'”, Disse Russell.
Para descobrir, Russell e Liu usaram uma técnica de impressão 3D que ajudaram a desenvolver para imprimir gotículas de 1 milímetro de uma solução de ferrofluido contendo nanopartículas de óxido de ferro com apenas 20 nanômetros de diâmetro (o tamanho médio de uma proteína de anticorpo).
Usando a química da superfície e técnicas sofisticadas de microscopia de força atômica, os cientistas Paul Ashby e Brett Helms da Molecular Foundry de Berkeley Lab revelaram que as nanopartículas formavam uma concha sólida na interface entre os dois líquidos através de um fenômeno chamado “interferência interfacial”. As nanopartículas se amontoam na superfície da gota, “como se as paredes se juntassem em uma pequena sala repleta de pessoas”, disse Russell.
Para torná-los magnéticos, os cientistas colocaram as gotas por uma bobina magnética em solução. Como esperado, a bobina magnética puxou as nanopartículas de óxido de ferro em direção a ela. Mas quando eles removeram a bobina magnética, algo inesperado aconteceu.
Como os nadadores sincronizados, as gotas gravitavam em direção ao outro em perfeita harmonia, formando um redemoinho elegante “como pequenas gotículas dançantes”, disse Liu.
De alguma forma, essas gotículas se tornaram permanentemente magnéticas. “Quase não conseguimos acreditar”, disse Russell. “Antes do nosso estudo, as pessoas sempre achavam que ímãs permanentes só podiam ser feitos a partir de sólidos”.
Todos os ímãs, não importa quão grande ou pequeno, têm um polo norte e um polo sul. Postes opostos são atraídos um pelo outro, enquanto os mesmos pólos se repelem.
Através de medidas de magnetometria, os cientistas descobriram que quando colocavam um campo magnético por uma gota, todos os pólos norte-sul das nanopartículas, das 70 bilhões de nanopartículas de óxido de ferro flutuando na gotícula até o 1 bilhão de nanopartículas na superfície da gota , respondeu em uníssono, como um ímã sólido.
A chave para essa descoberta foram as nanopartículas de óxido de ferro presas firmemente juntas na superfície da gota. Com apenas 8 nanômetros entre cada um dos bilhões de nanopartículas, juntos criaram uma superfície sólida ao redor de cada gota de líquido.
De alguma forma, quando as nanopartículas atoladas na superfície são magnetizadas, elas transferem essa orientação magnética para as partículas que nadam no núcleo, e a gotícula inteira se torna permanentemente magnética – exatamente como um sólido, Russell e Liu explicaram.
Mudando de forma para se adaptar ao ambiente
Os pesquisadores também descobriram que as propriedades magnéticas da gota eram preservadas mesmo se dividissem uma gota em gotículas menores e mais finas do tamanho de um fio de cabelo humano, acrescentou Russell.
Entre as muitas qualidades surpreendentes das gotículas magnéticas, o que se destaca ainda mais, Russell observou, é que elas mudam de forma para se adaptar ao ambiente. Eles se transformam de uma esfera para um cilindro para uma panqueca, ou um tubo fino como um fio de cabelo, ou até mesmo a forma de um polvo – tudo sem perder suas propriedades magnéticas.
As gotas também podem ser sintonizadas para alternar entre um modo magnético e um modo não magnético. E quando seu modo magnético é ligado, seus movimentos podem ser controlados remotamente, conforme indicado por um ímã externo, acrescentou Russell.
Liu e Russell planejam continuar a pesquisa no Berkeley Lab e em outros laboratórios nacionais para desenvolver estruturas líquidas magnéticas impressas em 3D ainda mais complexas, como uma célula artificial impressa em líquido, ou robótica em miniatura que se movem como uma minúscula hélice para entrega não invasiva terapias medicamentosas para células doentes.
“O que começou como uma observação curiosa acabou abrindo uma nova área da ciência”, disse Liu. “É algo com que todos os jovens pesquisadores sonham, e tive a sorte de ter a chance de trabalhar com um grande grupo de cientistas apoiados pelas instalações de usuário de classe mundial da Berkeley Lab para torná-lo uma realidade”, disse Liu.
Com informações: GNN / Revista Science