阿爾托大學(xué)的研究人員表明，納米顆粒懸浮液可以作為研究更復(fù)雜的非平衡系統(tǒng)(如活細(xì)胞)中圖案和結(jié)構(gòu)形成的簡單模型。新系統(tǒng)不僅是研究圖案化過程的寶貴工具，而且具有廣泛的潛在技術(shù)應(yīng)用。

該混合物由帶有氧化鐵納米顆粒的油狀液體組成，這些納米顆粒在磁場中會被磁化。在合適的條件下，在鐵磁流體上施加電壓會導(dǎo)致納米顆粒遷移，從而在混合物中形成濃度梯度。為此，鐵磁流體還必須包括多庫酯，一種可以通過流體攜帶電荷的蠟狀化學(xué)物質(zhì)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，多庫酯的存在和鐵磁流體兩端的電壓導(dǎo)致電荷分離，氧化鐵納米顆粒帶負(fù)電。“我們根本沒想到會這樣，”阿爾托的博士后研究員 Carlo Rigoni 說。“我們?nèi)匀徊恢罏槭裁磿l(fā)生這種情況。事實(shí)上，我們甚至不知道在添加多庫酯時電荷是否已經(jīng)分裂，或者是否在打開電壓后立即發(fā)生。”

為了反映對電場的新敏感性，研究人員將這種流體稱為電鐵磁流體，而不僅僅是鐵磁流體。這種電響應(yīng)導(dǎo)致納米顆粒遷移，由此產(chǎn)生的納米顆粒濃度差異改變了電鐵磁流體的磁響應(yīng)。

因此，在電鐵磁流體上施加磁場會改變納米顆粒的分布，精確的圖案取決于磁場的強(qiáng)度和方向。換句話說，納米粒子的分布是不穩(wěn)定的，在外部磁場的微小變化的驅(qū)動下，會從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。電壓和多庫酯的組合將流體從平衡系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰愣芰枯斎胍跃S持其狀態(tài)的非平衡系統(tǒng)——耗散系統(tǒng)。

這些意想不到的動力學(xué)使電鐵磁流體在科學(xué)和潛在應(yīng)用方面都特別有趣。“自 1960 年代被發(fā)現(xiàn)以來，鐵磁流體就引起了科學(xué)家、工程師和藝術(shù)家的注意?，F(xiàn)在，我們找到了一種真正簡便的方法，只需施加一個小電壓即可將流體從熱力學(xué)中驅(qū)除，從而實(shí)時控制它們的磁性。平衡。這允許對技術(shù)應(yīng)用的流體特性、模式形成的復(fù)雜性，甚至新的藝術(shù)方法進(jìn)行全新的控制，“阿爾托實(shí)驗(yàn)?zāi)蹜B(tài)物理學(xué)教授 Jaakko Timonen 說，他監(jiān)督了這項(xiàng)研究.

“耗散驅(qū)動是在我們周圍創(chuàng)造模式和結(jié)構(gòu)的一般機(jī)制，”里戈尼說。“生命就是一個例子。生物體必須不斷地將能量耗散到它們的有序狀態(tài)，生態(tài)系統(tǒng)中的絕大多數(shù)模式和結(jié)構(gòu)也是如此。”

Rigoni 解釋說，這一發(fā)現(xiàn)為試圖了解耗散系統(tǒng)及其支持的模式形成的研究人員提供了一個有價值的模型系統(tǒng)，無論是生物體還是復(fù)雜的非生命系統(tǒng)。

“大多數(shù)耗散系統(tǒng)都非常復(fù)雜。例如，很難將生命結(jié)構(gòu)簡化為一組可以解釋某些結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的簡單參數(shù)，”里戈尼說。電壓驅(qū)動的鐵磁流體可用于研究向耗散系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，并了解外部影響(例如磁場)如何與系統(tǒng)相互作用以生成或修改結(jié)構(gòu)。“這可以為我們提供有關(guān)如何在更復(fù)雜的環(huán)境中創(chuàng)建耗散結(jié)構(gòu)的提示，”Rigoni 說。

除了在基礎(chǔ)研究方面的價值外，這一發(fā)現(xiàn)還具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價值?？刂萍{米粒子的圖案和分布的能力在一系列技術(shù)中很有價值，例如光學(xué)網(wǎng)格和電子墨水屏幕，而且非常低的功耗使這種方法特別有吸引力。“這項(xiàng)最初的研究主要是關(guān)于基礎(chǔ)科學(xué)，但我們已經(jīng)開始了專注于應(yīng)用的工作，”里戈尼說。

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