Написано AZoNano 27 мая 2020 [1945900] [19459]

Исследователи Массачусетского технологического института обнаружили явление, которое можно использовать для управления движением крошечных частиц, плавающих в суспензии. Этот подход, который требует простого приложения внешнего электрического поля, может в конечном итоге привести к новым способам выполнения определенных промышленных или медицинских процессов, которые требуют разделения крошечных взвешенных материалов.

Результаты основаны на электрокинетической версии феномена, который дает кривым их кривую, известную как эффект Магнуса. Захари Шерман, доктор философии '19, в настоящее время постдок в Техасском университете в Остине, и профессор химической инженерии Массачусетского технологического института Джеймс Свон описывают новое явление в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Physical Review Letters.

Эффект Магнуса заставляет вращающийся объект тянуться в направлении, перпендикулярном его движению, как в криволинейном шаре; он основан на аэродинамических силах и работает в макроскопических масштабах – то есть на легко видимых объектах – но не на более мелких частицах. Новое явление, вызванное электрическим полем, может продвигать частицы до нанометровых масштабов, перемещая их в контролируемом направлении без каких-либо контактов или движущихся частей.

Открытие стало неожиданностью, поскольку Шерман тестировал какое-то новое программное обеспечение для моделирования взаимодействий крошечных наноразмерных частиц, которые он разрабатывал, в магнитных и электрических полях. Тестовый пример, который он изучал, включает помещение заряженных частиц в электролитическую жидкость, которая представляет собой жидкости с ионами или заряженными атомами или молекулами в них.

Было известно, что, по его словам, когда заряженные частицы размером от нескольких десятков до сотен нанометров помещаются в такие жидкости, они остаются внутри, а не оседают, образуя коллоид. Ионы тогда группируются вокруг частиц. Новое программное обеспечение успешно имитировало эту ионную кластеризацию. Затем он симулировал электрическое поле на материале. Ожидается, что это вызовет процесс, называемый электрофорезом, который будет продвигать частицы вдоль в направлении приложенного поля. Опять же, программа правильно смоделировала процесс.

Тогда Шерман решил продвинуть его дальше и постепенно увеличивал напряженность электрического поля. «Но потом мы увидели эту забавную вещь», – говорит он. «Если бы поле было достаточно сильным, вы бы получили небольшой электрофорез, но коллоиды самопроизвольно начали бы вращаться». И вот тут появляется эффект Магнуса.

Не только частицы вращались в симуляциях при их движении, но и «эти два движения соединялись вместе, и вращающаяся частица отклонялась бы от своего пути» говорит он. «Это немного странно, потому что вы прикладываете силу в одном направлении, а затем вещь движется в ортогональном направлении [right-angle] к тому, что вы указали». Это прямо аналогично тому, что происходит аэродинамически с вращающимися шарами, говорит он. «Если ты бросаешь бейсбольный мяч в бейсбол, он движется в том направлении, в котором ты его бросил, но затем он тоже отклоняется. Так что это своего рода микроскопическая версия этого хорошо известного макроскопического эффекта Магнуса ».

Когда приложенное поле было достаточно сильным, заряженные частицы совершали сильное движение в направлении, перпендикулярном полю. Это может быть полезно, говорит он, потому что при электрофорезе «частица движется к одному из электродов, и вы сталкиваетесь с этой проблемой, когда частица будет двигаться, а затем она попадет в электрод, и она перестанет двигаться , Таким образом, вы не можете создать непрерывное движение только с помощью электрофореза ».

Вместо этого, поскольку этот новый эффект направлен под прямым углом к ​​приложенному полю, его можно использовать, например, для продвижения частиц вдоль микроканала, просто размещая электроды сверху и снизу. Таким образом, по его словам, частица будет «просто двигаться по каналу, и она никогда не столкнется с электродами». Это делает его, по его словам, «фактически более эффективным способом управления движением микроскопических частиц».

Существует два разных типа процессов, в которых эта способность может пригодиться, говорит он. Одним из них является использование частицы для доставки своего рода «груза» в определенное место. Например, частица может быть присоединена к терапевтическому лекарству «и вы пытаетесь доставить его к месту назначения, которому требуется это лекарство, но вы не можете доставить лекарство туда напрямую» говорит он , Или частица может содержать какой-то химический реагент или катализатор, который должен быть направлен в определенный канал для проведения желаемой реакции.

Другой пример – обратная сторона этого процесса: сбор какого-то целевого материала и его возврат. Например, химическая реакция с образованием продукта может также привести к образованию большого количества нежелательных побочных продуктов. «Так что вам нужен способ, чтобы выпустить продукт», – говорит он . Эти частицы могут быть использованы для захвата продукта, а затем извлечены с использованием приложенного электрического поля. «Таким образом, они действуют как маленькие пылесосы», – говорит он. «Они берут то, что вы хотите, и затем вы можете переместить их в другое место, а затем выпустить продукт там, где его легче собрать».

Он говорит, что этот эффект должен применяться для широкого спектра размеров частиц и материалов частиц, и команда продолжит изучать, как различные свойства материала влияют на скорость вращения или скорость перемещения этого эффекта. Основное явление должно относиться практически к любой комбинации материалов для частиц и жидкости, в которой они находятся, пока они отличаются друг от друга с точки зрения электрического свойства, называемого диэлектрической проницаемостью.

Исследователи изучили материалы с очень высокой диэлектрической проницаемостью, такие как металлические частицы, взвешенные в электролите с более низкой проводимостью, таком как вода или масла. «Но вы также можете увидеть это с любыми двумя материалами, которые имеют контраст» по диэлектрической проницаемости, говорит Шерман, например, с двумя маслами, которые не смешиваются и, таким образом, образуют взвешенные капли.

Работа была поддержана НАСА и Национальным научным фондом.

Источник: http://news.mit.edu/