Las partículas magnéticas del tamaño de un micrón están programadas para dar una vuelta en un equipo personalizado utilizado por la Universidad de Rice para estudiar los efectos de un campo magnético giratorio en los materiales. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Haga girar un tiovivo lo suficientemente rápido y los jinetes volarán en todas direcciones. Pero las partículas que giran en un laboratorio de la Universidad de Rice hacen todo lo contrario.
Los experimentos en el laboratorio de Rice de la ingeniera química Sibani Lisa Biswal muestran esferas del tamaño de una micra que se unen bajo la influencia de un campo magnético que gira rápidamente. Eso no es ninguna sorpresa porque las propias partículas están magnetizadas.
Pero la forma en que se unen es de interés, ya que las partículas se juntan primero en un cúmulo agregado desorganizado y luego en un régimen cristalino a medida que el campo magnético se vuelve más fuerte.
Los resultados del trabajo dirigido por Biswal y la estudiante de posgrado Elaa Hilou aparecen en Physical Review Materials. Los investigadores esperan que inspire formas de mirar, modelar y crear materiales bidimensionales novedosos como catalizadores sintonizables o coloides que pueden cambiar su superficie según demanda.
Los experimentos revelaron límites, formas transiciones de fase y la creación y resolución de defectos cristalinos entre 300 y 1, 500 esferas magnetizadas siguieron sus impulsos energéticos bajo la influencia del campo en movimiento.
"He estado presentando esto como una versión miniaturizada de un fidget spinner donde usamos el campo magnético para generar una interacción isotrópica alrededor de las partículas, ", Dijo Biswal." Podemos crear conjuntos de partículas que están empaquetados de forma vaga o muy compacta por la fuerza de esa interacción ".
Elaa Hilou, estudiante graduada de la Universidad de Rice. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Eso interesó a Biswal y Hilou, pero no tanto como lo que vieron en los bordes, donde la tensión de línea formada por las partículas más externas determinaba la forma final de las matrices.
"Piense en una pompa de jabón, "Dijo Biswal." Siempre forma una esfera, incluso cuando intentas deformarlo. Eso es porque la tensión superficial quiere minimizar su área de superficie. Es lo mismo para nuestro sistema, pero en dos dimensiones. Las interacciones siempre intentan minimizar lo que llamamos tensión de línea.
"Elaa encuentra la interfaz de Gibbs y mide la energía en esa interfaz donde pasa de un grosor de muchas partículas (a bajas intensidades de campo magnético) a un grosor de casi una sola partícula al cambiar la intensidad de la interacción, "Ella dijo." Ella ha hecho mucho análisis de la tensión de la línea y cómo se relaciona con la energía del sistema ".
El siguiente paso es crear elementos físicos, modelos móviles para sistemas reales para ver cómo reaccionan los constituyentes cuando son perturbados. "Hay mucho interés en intentar crear modelos para sistemas atómicos y moleculares, "Dijo Biswal." La mayor parte de eso se ha hecho a través de simulaciones computacionales, pero aquí tenemos un sistema experimental que puede realizar estructuras y procesos como la coalescencia ".
La estudiante graduada de Rice University Elaa Hilou (izquierda) y la profesora Sibani Lisa Biswal establecieron un experimento en un dispositivo que combina un campo magnético giratorio y un microscopio. Los investigadores están estudiando los efectos de un campo giratorio sobre las partículas magnéticas. Sus hallazgos podrían ayudar a los investigadores a modelar coloides para cosméticos, así como catalizadores para productos químicos. entre otras aplicaciones, en un sistema físico. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"Por ejemplo, en catálisis, si desea aumentar la superficie, desea más huecos para facilitar el contacto entre un catalizador y una reacción, "Dijo Hilou." Al aumentar la concentración y controlar el campo, podemos empezar a ver vacíos y controlar la interfaz en relación con el volumen ".
La técnica podría modelar emulsiones, ella dijo. "Supongamos que tiene aceite y agua y desea separarlos por fases, "Dijo Hilou." En el caso de los cosméticos y la industria alimentaria, desea que las emulsiones sean estables. Queremos poder imitar su dinámica controlando el tamaño de las partículas y la intensidad del campo ".
Biswal dijo que la técnica también podría usarse para modelar sistemas en los que la temperatura, en lugar de electromagnetismo, es el conductor. En campos como la metalurgia, los defectos se eliminan "aumentando la temperatura para dar a las moléculas más libertad para mover los límites y huecos de los granos, ", dijo." Luego disminuyen la temperatura para bloquear las estructuras.
"Lo que tenemos es un dial que no solo imita los efectos de la temperatura con un campo magnético, sino que también ofrece la capacidad de observar a través de un microscopio lo que sucede en un sistema real". "Dijo Biswal.
Di Du, alumno graduado de Rice, ahora es analista estadístico de investigación en el MD Anderson Cancer Center de la Universidad de Texas, y el estudiante de posgrado Steve Kuei son coautores del artículo. La National Science Foundation apoyó la investigación.
