Эффект Магнуса для наночастиц

Исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили феномен, который можно использовать для управления движением крошечных частиц, плавающих во взвешенном состоянии. Этот подход, который требует простого применения внешнего электрического поля, может в конечном счете привести к новым способам выполнения определенных промышленных или медицинских процессов, требующих разделения крошечных взвешенных материалов.

Полученные результаты основаны на электрокинетической версии явления, которое дает закрученным шарам их траекторию, известную как эффект Магнуса.

Исследователи описывают новое явление в статье, опубликованной на этой неделе в журнале Physical Review Letters.

Эффект Магнуса — это физическое явление, возникающее при обтекании вращающегося тела потоком жидкости или газа. Он основан на аэродинамических силах и действует на макроскопических масштабах— т. е. на легко видимых объектах, но не на более мелких частицах. Новое явление, индуцируемое электрическим полем, может двигать частицы вплоть до нанометровых масштабов, перемещая их в контролируемом направлении без какого-либо контакта или движущихся частей.

Это открытие стало неожиданностью, поскольку ученые тестировали новое программное обеспечение для моделирования взаимодействий крошечных наноразмерных частиц, которые они разрабатывали, в магнитных и электрических полях.

Тестовый пример включал помещение заряженных частиц в электролитическую жидкость, которая представляет собой жидкости с ионами или заряженными атомами или молекулами в них.

Было известно, что когда заряженные частицы размером от нескольких десятков до сотен нанометров помещаются в такие жидкости, они остаются в суспендированном состоянии, а не оседают, образуя коллоид. Ионы тогда группируются вокруг частиц.

Новое программное обеспечение успешно имитировало эту ионную кластеризацию. Затем ученые симулировали электрическое поле на материале. Ожидается, что это вызовет процесс, называемый электрофорезом, который будет продвигать частицы вдоль в направлении приложенного поля. Опять же, программа правильно смоделировала процесс.

Тогда исследователи решили подтолкнуть его дальше и постепенно увеличивали напряженность электрического поля. «Но потом мы увидели эту забавную вещь», — говорят ученые. «Если бы поле было достаточно сильным, вы могли бы получить нормальный электрофорез чуть-чуть, но тогда коллоиды самопроизвольно начали бы вращаться». И вот тут появляется эффект Магнуса.

По их словам, частицы не только вращались в ходе моделирования, но и «эти два движения соединялись вместе, и вращающаяся частица отклонялась от своего пути». «Это немного странно, потому что вы прикладываете силу в одном направлении, а затем вещь движется в ортогональном (прямом угле) направлении к тому, что вы указали».

Это прямо аналогично тому, что происходит аэродинамически с вращающимися шарами. «Если вы кидаете закрученный мяч, он движется в том направлении, в котором вы его бросили, но затем он отклоняется. Так что это своего рода микроскопическая версия хорошо известного макроскопического эффекта Магнуса».

Когда приложенное поле было достаточно сильным, заряженные частицы принимали сильное движение в направлении, перпендикулярном полю. Это может быть полезно, потому что при электрофорезе «частица движется к одному из электродов, и вы сталкиваетесь с этой проблемой, когда частица будет двигаться, а затем она столкнется с электродом, и перестанет двигаться. Таким образом, вы не можете действительно генерировать непрерывное движение только с помощью электрофореза.»

Вместо этого, поскольку этот новый эффект направлен под прямым углом к ​​приложенному полю, его можно использовать, например, для продвижения частиц вдоль микроканала, просто размещая электроды сверху и снизу. Таким образом, частица будет «просто двигаться вдоль канала, и она никогда не столкнется с электродами». Это делает его, «фактически более эффективным способом управления движением микроскопических частиц».

Эффект может применяться для широкого спектра размеров частиц и материалов, и ученые будут продолжать изучать, как различные свойства материала влияют на скорость вращения или скорость перемещения.

Основное явление должно быть применимо практически к любой комбинации материалов для частиц и жидкости, в которой они взвешены, до тех пор, пока они отличаются друг от друга с точки зрения электрического свойства, называемого диэлектрической постоянной.

Исследователи рассматривали материалы с очень высокой диэлектрической проницаемостью, такие как металлические частицы, взвешенные в гораздо менее проводящем электролите, таком как вода или масла.

«Но вы также можете увидеть это с любыми двумя материалами, которые имеют контраст «в диэлектрической проницаемости, — говорят ученые, — например, с двумя маслами, которые не смешиваются и таким образом образуют взвешенные капли».

Zachary M. Sherman et al. Spontaneous Electrokinetic Magnus Effect, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.208002