Uusi läpimurto magneettisten nesteiden tutkimuksessa: ominaisuuksia voidaan säätää sähkön avulla

Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uudenlaisen magneettisen nesteen, jota pystytään ohjaamaan sähkökentän avulla. Löytö tarjoaa tutkijoille mahdollisuuden luoda monimutkaisia termodynaamisen tasapainon ulkopuolella olevia rakenteita. Nämä auttavat ymmärtämään paremmin monenlaisia luonnossa esiintyviä rakenteita kuten eläviä soluja. Lisäksi nesteellä on lukuisia mahdollisia teknologisia sovelluksia, esimerkiksi sähkömustenäytöissä.

Tulokset julkaistaan arvostetussa Science Advances-lehdessä 22.12.

Magneettisia nesteitä on tutkittu 1960-luvulta asti, ja niillä on ollut merkittävä rooli muun muassa kaiutinten kehityksessä sekä kovalevyissä. Tavallisesti liuoksen ominaisuudet määräytyvät sen mukaan, paljonko siihen on alunperin laitettu magneettisia nanopartikkeleja. Kun partikkelien määrä on lyöty lukkoon, magneettisiin ominaisuuksiin ei ole ollut helppo tehdä muutoksia.

Uusi tutkimus on siis merkittävä muutos aiempaan, koska se mahdollistaa nesteen ominaisuuksien säätämisen ulkoista ärsykettä käyttämällä, nesteen koostumusta muuttamatta.

“Jännitteen avulla voidaan säätää nanopartikkelien jakaumaa, esimerkiksi siirtää ne halutulle alueelle, jolloin ne vahvistavat magneettisia ominaisuuksia siellä ja heikentävät niitä muualla”, kuvaa apulaisprofessori ja akatemiatutkija Jaakko Timonen.

Tutkijat käyttivät liuoksena öljyistä nestettä, jossa on rautaoksidinanopartikkeleja. Ne ovat  poikkeuksellisesti sähköisesti varattuja, sillä tutkijat keksivät lisätä nesteeseen sähköisiä varauksia siirtävää dokusaatti-kemikaalia. Juuri sähköinen varaus tekee mahdolliseksi partikkelien liikuttamisen jännitteen avulla.
 

Apua kuvioiden ja rakenteiden muodostumisen ymmärtämiseen

Uusi nanopartikkeliliuos voi auttaa ymmärtämään luonnossa ilmeneviä kompleksisia kuvioita ja rakenteita - oli sitten kyse elävistä organismeista tai monimuotoisista ei-elollisista systeemeistä.

Kun nanopartikkelit lähtevät sähkökentän seurauksena liikkumaan, magneettinen neste siirtyy termodynaamisesta tasapainotilasta epätasapainotilaan. Nestettä voidaankin käyttää mallina, jonka avulla tutkia siirtymiä tilojen välillä sekä ulkoisten vaikutusten, esimerkiksi magneettikentän, merkitystä tässä.

Lisäksi tutkimus avaa mahdollisuuksia erilaisiin teknologisiin sovelluksiin. Sen avulla voitaisiin esimerkiksi lähteä kehittämään tarkempia sähkömustenäyttöjä, jollaisia käytetään muun muassa Kindlen kaltaisissa lukulaitteissa.

“Tämä ensivaiheen tutkimus on pääasiassa perustutkimusta, mutta me olemme jo aloittaneet työn, joka keskittyy sovelluksiin”, tutkijatohtori Carlo Rigoni sanoo.

Apulaisprofessori Timosen tutkimusryhmä on osa uutta Suomen Akatemian rahoittamaa huippuyksikköä joka keskittyy elävien toimintojen innoittamiin hybridimateriaaleihin.