Gli scienziati del Berkeley Lab hanno creato un nuovo materiale che è sia liquido che magnetico, aprendo la porta a una nuova area della scienza nella materia magnetica. Tra le possibili applicazioni, un magnete liquido stampato in 3D potrebbe portare a dispositivi liquidi magnetici stampabili in 3D per la fabbricazione di elettronica flessibile o cellule artificiali che forniscono terapie farmacologiche mirate alle cellule malate.

I magneti ora fanno parte della nostra vita quotidiana, tuttavia, sono basati su materiali solidi. Utilizzando una stampante 3D modificata, simile a quella utilizzata da BMW e MIT, un team di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia ha creato un magnete liquido. Le loro scoperte, pubblicate il 19 luglio sulla rivista Science, potrebbero portare a rivoluzionari dispositivi liquidi stampabili per una varietà di applicazioni, dalle cellule artificiali che erogano terapie antitumorali ai robot liquidi flessibili che possono cambiare forma per adattarsi all’ambiente circostante.

“Abbiamo realizzato un nuovo materiale sia liquido che magnetico. Nessuno lo ha mai osservato prima“, dichiara Tom Russell, uno scienziato del Berkeley Lab e professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l’Università del Massachusetts, Amherst, che ha guidato lo studio (come riportato dal nuovo centro di Berkeley Lab). “Questo apre le porte a una nuova area della scienza nella materia magnetica“.

Negli ultimi sette anni, Russell, che dirige un programma chiamato Adaptive Interfacial Assemblies Towards Structuring Liquids nella divisione Scienza dei Materiali del Berkeley Lab e che ha anche guidato lo studio attuale, si è concentrato sullo sviluppo di una nuova classe di materiali: strutture interamente liquide stampabili in 3D.

Russell e Xubo Liu, autore principale dello studio, hanno avuto l’idea di formare strutture liquide dai ferrofluidi, che sono soluzioni di particelle di ossido di ferro che diventano fortemente magnetiche in presenza di un altro magnete. “Ci siamo chiesti: se un ferrofluido può diventare temporaneamente magnetico, cosa potremmo fare per renderlo permanentemente magnetico come un magnete solido ma mantenendo, al tempo stesso, le caratteristiche liquide?“, ha spiegato Russell.

Jam session: magneti liquidi stampati in 3D

Per scoprirlo, Russell e Liu hanno usato una tecnica di stampa 3D che avevano sviluppato con l’ex-ricercatore Joe Forth per stampare goccioline da 1 millimetro da una soluzione di ferrofluido, contenente nanoparticelle di ossido di ferro a soli 20 nanometri di diametro (la media dimensione di una proteina dell’anticorpo).

Usando la chimica delle superfici e alcune sofisticate tecniche di microscopia a forza atomica, gli scienziati dello staff Paul Ashby e Brett Helms della Molecular Foundry di Berkeley Lab hanno rivelato che le nanoparticelle formavano un guscio solido come l’interfaccia tra i due liquidi attraverso un fenomeno chiamato “jamming interfacciale”. Ciò ha portato le nanoparticelle da affiorare sulla superficie della gocciolina. Per renderli magnetici, gli scienziati hanno quindi posizionato le goccioline da una bobina magnetica all’interno della soluzione: come previsto, la bobina magnetica ha tirato verso di sé le nanoparticelle di ossido di ferro.

Ma quando hanno rimosso la bobina magnetica, è successo qualcosa di inaspettato. Come nuotatori sincronizzati, le goccioline gravitavano l’una verso l’altra in perfetto unisono, formando un elegante turbinio “come piccole goccioline danzanti”, ha detto Liu, studente ricercatore nella Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab e uno studente di dottorato presso l’Università di Chimica di Pechino.

In qualche modo, queste goccioline erano diventate permanentemente magnetiche. “Quasi non riuscivamo a crederci“, ha sottolineato Russell. “Prima del nostro studio, le persone presumevano sempre che i magneti permanenti potessero essere fatti solo da corpi solidi“.

È ancora un magnete

Tutti i magneti, per quanto grandi o piccoli, hanno un polo nord e un polo sud. I poli opposti sono attratti l’uno dall’altro, mentre gli stessi poli si respingono. Attraverso misurazioni della magnetometria, gli scienziati hanno scoperto che quando hanno posizionato un campo magnetico vicino a una gocciolina, tutti i poli nord-sud delle nanoparticelle (dai 70 miliardi di nanoparticelle di ossido di ferro che fluttuano nella gocciolina al miliardo di nanoparticelle sulla superficie della gocciolina) hanno risposto all’unisono, proprio come per un magnete solido.

Le nanoparticelle di ossido di ferro che si inceppavano strettamente sulla superficie della gocciolina erano la chiave di questa scoperta. Con solo 8 nanometri tra ciascuno dei miliardi di nanoparticelle, insieme hanno creato una superficie solida attorno a ciascuna goccia di liquido.

In qualche modo, quando le nanoparticelle sulla superficie vengono magnetizzate, trasferiscono questo orientamento magnetico alle particelle che nuotano nel nucleo e l’intera gocciolina diventa permanentemente magnetica – proprio come un solido. I ricercatori hanno anche scoperto che le proprietà magnetiche della gocciolina sono state preservate anche se hanno diviso una gocciolina in goccioline più piccole e più sottili delle dimensioni di un capello umano.

Tra le tante incredibili qualità delle goccioline magnetiche, ciò che spicca ancora di più è che cambiano forma per adattarsi all’ambiente circostante. Si trasformano da una sfera a un cilindro in un pancake, o un tubo sottile come una ciocca di capelli, o addirittura a forma di polpo, il tutto senza perdere le loro proprietà magnetiche.

Le goccioline possono anche essere sintonizzate per alternare tra una modalità magnetica e una modalità non magnetica. E quando la loro modalità magnetica è attivata, i loro movimenti possono essere controllati a distanza come diretto da un magnete esterno.

Liu e Russell hanno intenzione di proseguire le ricerche presso il Berkeley Lab e altri laboratori nazionali per sviluppare strutture liquide magnetiche stampate in 3D ancora più complesse, come una cellula artificiale stampata a liquido o robotica in miniatura che si muovono come una piccola elica per la consegna non invasiva ma mirata di terapie farmacologiche per cellule malate.

“Quello che è iniziato come una curiosa osservazione ha finito per aprire una nuova area della scienza“, ha concluso 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 per utenti di livello mondiale di Berkeley Lab per trasformarlo in realtà“.