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

La mezcla consiste en un líquido aceitoso que contiene nanopartículas de óxido de hierro, que se magnetizan en un campo magnético. En las condiciones adecuadas, la aplicación de un voltaje a través de 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, una sustancia química cerosa que puede transportar carga a través del fluido.

Los investigadores descubrieron que la presencia de docusato y un voltaje a través del ferrofluido dieron como resultado una separación de las cargas eléctricas, y las nanopartículas de óxido de hierro se cargaron negativamente. "No esperábamos eso en absoluto", dice Carlo Rigoni, investigador postdoctoral en Aalto. "Todavía no sabemos por qué sucede. De hecho, ni siquiera sabemos si las cargas ya se dividen cuando se agrega el docusato o si sucede 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 cambian la capacidad de respuesta magnética del electroferrofluido.

Como resultado, la aplicación de un campo magnético a través del electroferrofluido cambia la distribución de las nanopartículas, y el patrón preciso depende de la fuerza y ​​la 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 sistema en equilibrio a un sistema fuera de equilibrio que requiere una entrada de energía constante para mantener su estado:un sistema disipativo.

Esta dinámica inesperada hace que los electroferrofluidos sean particularmente interesantes tanto desde el punto de vista científico 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 verdaderamente sencillo para controlar sus propiedades magnéticas sobre la marcha simplemente aplicando un pequeño voltaje para sacar el fluido de la termodinámica". equilibrio. Esto permite un nivel completamente nuevo de control de las propiedades del fluido para aplicaciones tecnológicas, complejidad en la formación de patrones y quizás incluso nuevos enfoques artísticos", dice Jaakko Timonen, profesor de física experimental de la materia condensada en Aalto, quien supervisó la investigación. .

"La conducción disipativa es el mecanismo general que crea los patrones y las estructuras que nos rodean", dice Rigoni. "La vida es un ejemplo. Los organismos tienen que disipar energía continuamente a su estado ordenado, y eso 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 sustentan, 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 aparición de ciertas estructuras", dice Rigoni. El ferrofluido controlado por voltaje se puede utilizar para estudiar la transición a un sistema disipativo y comprender cómo las influencias externas, como un campo magnético, interactúan con el sistema para generar o modificar estructuras. "This could give us hints about how dissipative structures in more complex contexts are created," Rigoni says.

In addition to its value in fundamental research, the discovery also has potential practical applications. The ability to control the pattern and distribution of nanoparticles is valuable in a range of technologies, such as optical grids and e-ink screens, and the very low power consumption makes this approach especially attractive. "This initial research was mainly about the basic science, but we've already started work that focuses on applications," says Rigoni. + Explora más

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