Los inventores de siglos pasados ​​y los científicos de hoy han encontrado formas ingeniosas de mejorar nuestras vidas con imanes, desde la aguja magnética de una brújula hasta dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos e incluso máquinas de escaneo corporal de resonancia magnética (MRI).

Todas estas tecnologías se basan en imanes hechos de materiales sólidos. Pero, ¿y si pudieras hacer un dispositivo magnético con líquidos? Usando una impresora 3D modificada, un equipo de científicos de Berkeley Lab ha hecho precisamente eso. Sus hallazgos, se publicará el 19 de julio en la revista Ciencias , podría conducir a una clase revolucionaria de dispositivos líquidos imprimibles para una variedad de aplicaciones, desde células artificiales que brindan terapias contra el cáncer dirigidas hasta robots líquidos flexibles que pueden cambiar su forma para adaptarse a su entorno.

"Hemos creado un nuevo material que es tanto líquido como magnético. Nadie ha observado esto antes, "dijo Tom Russell, un científico de la facultad visitante en Berkeley Lab y profesor de ciencia e ingeniería de polímeros en la Universidad de Massachusetts, Amherst, quien dirigió el estudio. "Esto abre la puerta a una nueva área de la ciencia en materia blanda magnética".

Sesiones de improvisación:hacer imanes con líquidos

Durante los últimos siete años, Russell, quien lidera un programa llamado Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, se ha centrado en desarrollar una nueva clase de materiales:estructuras totalmente líquidas imprimibles en 3D.

Un día, Russell y el primer autor del estudio actual, Xubo Liu, tuvieron la idea de formar estructuras líquidas a partir de ferrofluidos, soluciones de partículas de óxido de hierro que se vuelven fuertemente magnéticas, pero solo en presencia de otro imán. "Nos preguntabamos, si un ferrofluido puede volverse temporalmente magnético, ¿Qué podríamos hacer para que sea permanentemente magnético? y se comportan como un imán sólido pero aún se ven y se sienten como un líquido? ", dijo Russell.

Descubrir, Russell y Liu, un estudiante de investigación graduado en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y un estudiante de doctorado en la Universidad de Tecnología Química de Beijing, utilizaron una técnica de impresión en 3-D que habían desarrollado con el ex investigador postdoctoral Joe Forth en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley para imprima gotas de 1 milímetro de una solución de ferrofluido que contiene nanopartículas de óxido de hierro de solo 20 nanómetros de diámetro (el tamaño promedio de una proteína de anticuerpo).

Usando química de superficie y sofisticadas técnicas de microscopía de fuerza atómica en Molecular Foundry, los coautores Paul Ashby y Brett Helms de Berkeley Lab revelaron que las nanopartículas formaban una capa sólida en la interfaz entre los dos líquidos a través de un fenómeno llamado "interferencia interfacial, "lo que hace que las nanopartículas se amontonen en la superficie de la gota, "como las paredes que se juntan en una pequeña habitación repleta de gente, "dijo Russell.

Para hacerlos magnéticos los científicos colocaron las gotas mediante una bobina magnética en solución. Como se esperaba, la bobina magnética atrajo las nanopartículas de óxido de hierro hacia ella.

Pero cuando quitaron la bobina magnética, sucedió algo bastante inesperado.

Como nadadores sincronizados, las gotas gravitaron unas hacia otras en perfecto unísono, formando un elegante remolino. "Como gotitas danzantes, "dijo Liu.

De alguna manera, estas gotas se habían vuelto permanentemente magnéticas. "Casi no podíamos creerlo, ", dijo Russell." Antes de nuestro estudio, la gente siempre asumió que los imanes permanentes solo se podían fabricar a partir de sólidos ".

Medida a medida, sigue siendo un imán

Todos los imanes no importa cuán grande o pequeño sea, tienen un polo norte y un polo sur. Los polos opuestos se atraen entre sí, mientras que los mismos polos se repelen.

A través de medidas de magnetometría, los científicos descubrieron que cuando colocaban un campo magnético junto a una gota, todos los polos norte-sur de las nanopartículas, desde los 70 mil millones de nanopartículas de óxido de hierro que flotan en la gota hasta los mil millones de nanopartículas en la superficie de la gota, respondió al unísono, como un imán sólido.

La clave de este hallazgo fueron las nanopartículas de óxido de hierro que se atascaban fuertemente en la superficie de la gota. Con solo 8 nm entre cada uno de los mil millones de nanopartículas, juntos crearon una superficie sólida alrededor de cada gota de líquido. De alguna manera, cuando las nanopartículas atascadas en la superficie están magnetizadas, transfieren esta orientación magnética a las partículas que nadan en el núcleo, y toda la gota se vuelve permanentemente magnética, como un sólido Russell y Liu explicaron.

Los investigadores también encontraron que se conservaron las propiedades magnéticas de la gota, incluso si dividieron una gota en más pequeñas, gotas más delgadas del tamaño de un cabello humano, añadió Russell.

Entre las muchas cualidades asombrosas de las gotas magnéticas, lo que destaca aún más, Russell señaló, es que cambian de forma para adaptarse a su entorno, transformándose de una esfera a un cilindro a un panqueque, o un tubo delgado como un mechón de cabello, o incluso a la forma de un pulpo, todo ello sin perder sus propiedades magnéticas.

Las gotas también se pueden ajustar para cambiar entre un modo magnético y un modo no magnético. Y cuando su modo magnético está activado, sus movimientos se pueden controlar de forma remota según la dirección de un imán externo, Agregó Russell.

Liu y Russell planean continuar la investigación en Berkeley Lab y otros laboratorios nacionales para desarrollar estructuras líquidas magnéticas impresas en 3D aún más complejas, como una celda artificial impresa en líquido, o robótica en miniatura que se mueve como una pequeña hélice para la administración no invasiva pero dirigida de terapias farmacológicas a las células enfermas.

"Lo que comenzó como una observación curiosa terminó abriendo una nueva área de la ciencia, ", dijo Liu." Es algo con lo que todos los investigadores jóvenes sueñan, y tuve la suerte de tener la oportunidad de trabajar con un gran grupo de científicos apoyados por las instalaciones para usuarios de clase mundial de Berkeley Lab para hacerlo realidad, "dijo Liu.