Физики разработали многофункциональную поверхность для управления коллоидными объектами с помощью магнитного поля. Эта поверхность представляет собой массив микрометровых бороздок заполненных магнитной жидкостью. За счет действия магнитных и капиллярных сил при включении неоднородного магнитного поля меняется состояние жидкости, что позволяет управлять трением и адгезионными свойствами поверхности. Использовать эти структуры можно для управления движением частиц и капель, смешивания их между собой, а также перекачки жидкостей или очистки поверхностей от загрязнений, пишут ученые в Nature.

Ферромагнитная (или просто магнитная) жидкость представляет собой концентрированную суспензию магнитных наночастиц. Во внешнем магнитном поле капля такой суспензии сильно поляризуется, и из-за высокой магнитной восприимчивости на ее поверхности возникает упорядоченная система складок или иголок, которые выстраиваются вдоль линий напряженности магнитного поля и придают капле форму ежа.

Управляемое движение немагнитных частиц с использованием текстурированной поверхности, покрытой магнитной жидкостью. W. Wang et al./ Nature, 2018

Магнитная жидкость. Andrew Magill / flickr

Как правило, магнитные жидкости применяются в электронных устройствах для отвода тепла или снижения трения в приборах с магнитными элементами, однако также их пытаются использовать для медицинских целей и в оптических устройствах.

Группа физиков из США, Германии, Финляндии и Норвегии под руководством Джоанны Айзенберг (Joanna Aizenberg) из Гарвардского университета предложила использовать возможность смены состояния поверхности магнитной жидкости с помощью внешнего поля для создания многофункциональных поверхностей с изменяемым трением для управления движением коллоидных частиц. Для создания такого материала ученые нанесли магнитную жидкость (состоящую из частиц магнетита Fe3O4 в силиконовом масле) на текстурированную поверхность, разделенную на ячейки с помощью массива вертикальных стенок высотой в несколько десятков микрометров. Объем наносимой магнитной жидкости рассчитывался таким образом, что при отсутствии внешнего поля она полностью заполняла ячейки и на текстурой еще оставался небольшой ровный слой.

Схема структуры поверхности. W. Wang et al./ Nature, 2018

Варьируя внешнее магнитное поле, физики могли менять состояние капли магнитной жидкости: без поля жидкость растекалась по поверхности и при его включении принимала форму ежа. Неоднородное магнитное поле после включения действует на каплю в несколько стадий: сначала на ее поверхности возникают складки и иголки размером от 1 до 20 миллиметров, затем та жидкость, которая остается внутри ячеек, за счет давления со стороны магнитного поля выходит из пор наружу, но после этого из-за капиллярной пропитки растекается по поверхностным микроканалам наружу.

Таким образом на поверхности формируется рельеф с ярко выраженными миллиметровыми возвышениями и ямками, самые крупные из которых возникают в центре капли, а часть текстурированной поверхности, пропитанной жидкостью, оказывается открытой. Точный размер и форма особенностей рельефа на поверхности жидкости при этом зависят от ее собственных свойств (состава и концентрации магнитных частиц или вязкости и поверхностного натяжения жидкой среды), а также от свойств текстуры на поверхности — размеры и направления вертикальных стенок — и распределения и силы неоднородного магнитного поля.

Изменение скорости движения капли (слева) по поверхности за счет изменения формы капли магнитной жидкости при выключении магнитного поля. Видео ускорено в 100 раз. W. Wang et al./ Nature, 2018

Управляя состоянием магнитной жидкости, можно менять свойства всей поверхности: ее трение, поверхностное скольжение и адгезионные характеристики. Этот механизм ученые предложили использовать для управления коллоидными системами: движением частиц в водной среде, скоростью перемещения капель жидкости по поверхности, управляемой задержкой при смешивании нескольких капель различных водных растворов.

Смешивание капель двух водных растворов. Временем начала смешивания можно управлять с помощью разрушения оболочки капель, состоящей из магнитной жидкости с помощью магнитного поля. Видео ускорено в 4 раза. W. Wang et al./ Nature, 2018

Кроме того, подобную текстурированную поверхность с магнитной жидкостью исследователи использовали как элемент нескольких устройств с подвижными деталями. Например, в одном из них действие магнитного поля на магнитную жидкость приводит к уменьшению трения и ускорению движения, а в другом с помощью магнитного поля можно перекачивать жидкость из одной емкости в другую.

Ученые отмечают, что каждый из предложенных примеров использования в дальнейшем может быть развит до полноценной технологии. Более того, у предложенного подхода много и других областей применения — от микрофлюидики до температурного контроля и очистки поверхностей от загрязнений.

Магнитные жидкости нередко предлагают использовать в качестве различных функциональных элементов различных механических и электрических устройств. Например, недавно американские физики разработали новый тип ионных двигателей для космических аппаратов, в которых рабочим телом выступает ионная магнитная жидкость. Благодаря этому удалось значительно сократить размеры двигателей.

Автор: Александр Дубов