MAGNETI LIQUIDI RESI POSSIBILI DALLA STAMPA 3D DI BERKLEY LAB
Un team di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory , un laboratorio per l’ufficio del Dipartimento di Energia (DOE) gestito dall’Università della California , ha utilizzato una stampante 3D modificata per produrre goccioline liquide imbevute di proprietà magnetiche. La loro ricerca, pubblicata sulla rivista Science , potrebbe potenzialmente portare all’uso di dispositivi stampati in 3D in una varietà di applicazioni utili e rivoluzionarie a causa delle qualità combinate di liquidi e magnetici. Ciò potrebbe includere cellule artificiali in grado di fornire terapie antitumorali mirate o robot liquidi flessibili che possono cambiare forma per adattarsi all’ambiente circostante.
Tom Russell, uno scienziato in visita al Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei polimeri all’Università del Massachusetts , Amherst, ha condotto lo studio. Russell conduce anche un programma chiamato Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids nella divisione Materials Sciences di Berkeley Lab, dove negli ultimi sette anni ha sviluppato strutture 3D all-liquid stampabili.
“Abbiamo realizzato un nuovo materiale che è sia liquido che magnetico. Nessuno l’ha mai notato prima “, ha spiegato Russell.
“QUESTO APRE LE PORTE A UNA NUOVA AREA DELLA SCIENZA NELLA MATERIA MAGNETICA MORBIDA”.
Lo studio è basato su un’idea formata da Russel e Xubo Liu, un ricercatore laureato in Scienze dei materiali di Berkeley Lab e uno studente di dottorato presso l’ Università di Tecnologia Chimica di Pechino . L’idea è centrata sulla formazione di strutture liquide da ferrofluidi, che sono soluzioni di particelle di ossido di ferro che acquisiscono forti proprietà magnetiche quando poste in presenza di un altro magnete. “Ci chiedevamo, ‘Se un ferrofluido può diventare temporaneamente magnetico, cosa possiamo fare per renderlo permanentemente magnetico e comportarsi come un magnete solido, ma sembra ancora un liquido?’, Ha commentato Russell.
Usando una tecnica di stampa 3D precedentemente sviluppata, che comprendeva una stampante 3D Qidi X-one, Russel e Liu 3D hanno stampato gocce da 1 millimetro da una soluzione di ferrofluido, contenente nanoparticelle di ossido di ferro di soli 20 nanometri di lunghezza. Gli scienziati dello staff Paul Ashby e Brett Helms della Molecular Foundry di Berkeley Lab hanno rivelato che una conchiglia simile a quella solida si svilupperebbe intorno alle nanoparticelle nel punto di contatto tra i due liquidi, attraverso un fenomeno chiamato “jamming interfacciale”. Le nanoparticelle iniziano quindi a riunirsi alla goccia superficie, “come le pareti che si uniscono in una piccola stanza piena di gente”, ha aggiunto Russell.
Al fine di prescrivere qualità magnetiche all’interno delle goccioline di ferrofluido, gli scienziati hanno posizionato una bobina magnetica nella soluzione, che ha trascinato le nanoparticelle di ossido di ferro verso di essa. Tuttavia, quando la bobina fu rimossa, le goccioline mantennero il loro magnetismo in modo permanente, mentre gravitavano l’uno verso l’altro in perfetto unisono, in quello che gli scienziati descrivevano come un “vortice elegante” o “piccole goccioline danzanti”.
Russell era incredulo riguardo alle loro scoperte, affermando che:
“PRIMA DEL NOSTRO STUDIO, LA GENTE HA SEMPRE PENSATO CHE I MAGNETI PERMANENTI POTESSERO ESSERE CREATI SOLO CON I SOLIDI”.
Al fine di determinare il livello di magnetismo all’interno delle goccioline, gli scienziati hanno posizionato uno di essi con un campo magnetico. Dopo averlo fatto, tutti i poli nord-sud delle nanoparticelle hanno risposto all’unisono. Significativamente, ciò è stato reso possibile dal “blocco interfacciale” delle nanoparticelle sulla superficie della gocciolina, che sono impacchettate strettamente insieme con solo nanometri tra ciascuna delle nanoparticelle, creando la superficie solida. Ci sono 1 miliardo di nanoparticelle di ossido di ferro sulla superficie solida della gocciolina e 70 miliardi di nanoparticelle che fluttuano nel nucleo della gocciolina.
Dopo la magnetizzazione, le nanoparticelle inceppate sulla superficie solida trasferiscono il loro orientamento magnetico alle particelle nel nucleo, consentendo così all’intera gocciolina di diventare permanentemente magnetica. I ricercatori hanno anche scoperto che le goccioline divise mantenevano le loro proprietà magnetiche. Anche le goccioline cambiano forma per adattarsi a diversi ambienti: il morphing da forme sferiche a cilindriche e persino pancake.
Liu e Russell hanno espresso piani per sviluppare ulteriormente le loro ricerche presso Berkeley Lab e altri laboratori nazionali, al fine di produrre strutture liquide magnetiche stampate 3D sempre più complesse. “Quello che è iniziato come una curiosa osservazione ha finito per aprire una nuova area della scienza”, ha aggiunto Liu. “È qualcosa che tutti i giovani ricercatori sognano, e sono stato fortunato ad avere la possibilità di lavorare con un grande gruppo di scienziati supportati dalle strutture di livello mondiale di Berkeley Lab per renderlo realtà.”
La tecnica utilizzata per produrre goccioline d’acqua comportava la modifica della stampante 3D sostituendo la testina di stampa con una siringa e un ago, che estrudono l’acqua in un piccolo contenitore di olio collocato sul letto di stampa. Questa tecnica è stata utilizzata dai ricercatori di Berkeley per modificare la stampante 3D Qidi X-one nel 2018, anch’essa sviluppata nell’ambito delle Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids. Ha permesso la produzione iniziale di strutture liquide stampate in 3D.
Oltre a utilizzare la tecnica di stampa 3D liquida per produrre dispositivi a metallo liquido, i ricercatori di Berkeley hanno anche utilizzato il sistema modificato per stampare in 3D un dispositivo completamente liquido da utilizzare nella sintesi chimica di batterie e formulazioni di farmaci.