Flexibele vloeibare robots (video)

Een hoop uitvindingen zijn gebaseerd op magneten, van de magnetische naald op een kompas tot de MRI-scanner. Al deze technologieën zijn gebaseerd op magneten die gemaakt zijn van vaste materialen. De onderzoekers van het Berkeley Lab vroegen zich af of het mogelijk zou zijn om met vloeistoffen een magnetisch apparaat te maken. En dat lukte, met behulp van een aangepaste 3D-printer. Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Science, en bieden mogelijkheden voor het maken van onder andere kunstmatige cellen voor gerichte kankertherapie, maar ook voor het ontwikkelen van flexibele vloeibare robots.

"We hebben een nieuw materiaal gemaakt dat zowel vloeibaar als magnetisch is. Niemand heeft dit ooit eerder waargenomen", zei Tom Russell, een bezoekende faculteitswetenschapper aan het Berkeley Lab en professor in de polymeerwetenschap en -techniek aan de Universiteit van Massachusetts, Amherst, die de studie leidde. "Dit opent de deur naar een nieuw wetenschapsgebied in magnetische zachte materie."

Ferrofluïden

Russell en Xubo Liu, de hoofdauteur van de studie, kwamen op het idee om vloeibare structuren te vormen uit ferrofluïden, wat oplossingen zijn van ijzeroxidedeeltjes die sterk magnetisch worden in de aanwezigheid van een andere magneet. "We vroegen ons af: ‘Als een ferrofluid tijdelijk magnetisch kan worden, wat kunnen we dan doen om hem permanent magnetisch te maken en zich te laten gedragen als een vaste magneet, maar er toch uit te laten zien en te laten voelen als een vloeistof", aldus Russell.

Russell en Liu gebruikten een 3D-printtechniek die ze samen met voormalig postdoctoraal onderzoeker Joe Forth van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab hadden ontwikkeld om 1 millimeter druppeltjes af te drukken van een ferro-vloeistofoplossing met ijzer-oxide nanodeeltjes met een diameter van slechts 20 nanometer (de gemiddelde grootte van een antilichaameiwit).

Interfacial jamming

Met behulp van oppervlaktechemie en geavanceerde atoomkrachtmicroscopie technieken, brachten stafwetenschappers Paul Ashby en Brett Helms van Berkeley Lab’s Molecular Foundry aan het licht dat de nanodeeltjes een vaste vorm aannamen als een vaste laag op het grensvlak tussen de twee vloeistoffen door middel van een fenomeen dat "interfacial jamming" wordt genoemd. "Dit zorgt ervoor dat de nanoparticles samenscholen bij de oppervlakte van de druppels", aldus Russell.

Om ze magnetisch te maken, plaatsten de wetenschappers de druppels door een magnetische spoel die zich in een oplossing bevond . Zoals verwacht, trok de magneetspoel de ijzer-oxide nanodeeltjes erheen. Bij het verwijderen van de magneetspoel gebeurde er echter iets onverwachts. De druppels trokken naar elkaar toe en bleken permanent magnetisch te zijn geworden. "We konden het bijna niet geloven", zei Russell. "Voor onze studie gingen mensen er altijd van uit dat permanente magneten alleen van vaste stoffen gemaakt konden worden."

Vormverandering

De onderzoekers vonden verder uit dat de magnetische eigenschappen van de druppel werden behouden, zelfs wanneer ze een druppel verdeelden in kleinere, dunnere druppels met de grootte van een mensenhaar.

Verder vertelde Russel dat de magnetische druppels ook van vorm veranderen om zich aan te passen aan hun omgeving. Ze veranderen van een bol in een cilinder in een pannenkoek, of een buis zo dun als een haarlok, of zelfs in de vorm van een octopus – dit alles zonder hun magnetische eigenschappen te verliezen.

De druppels kunnen ook worden afgesteld om te schakelen tussen een magnetische modus en een niet-magnetische modus. En wanneer hun magnetische modus is ingeschakeld, kunnen hun bewegingen op afstand worden bestuurd met een externe magneet.