Des particules magnétiques de la taille d'un micron sont prêtes à tourner dans une plate-forme personnalisée utilisée par l'Université Rice pour étudier les effets d'un champ magnétique en rotation sur les matériaux. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Faites tourner un manège assez vite et les coureurs s'envolent dans toutes les directions. Mais les particules en rotation dans un laboratoire de l'Université Rice font exactement le contraire.
Des expériences dans le laboratoire Rice de l'ingénieur chimiste Sibani Lisa Biswal montrent que des sphères de la taille d'un micron se rassemblent sous l'influence d'un champ magnétique en rotation rapide. Ce n'est pas surprenant car les particules elles-mêmes sont magnétisées.
Mais la façon dont elles se réunissent est intéressante, car les particules se rassemblent d'abord en un amas agrégé désorganisé, puis en un régime cristallin à mesure que le champ magnétique devient plus fort.
Les résultats des travaux menés par Biswal et l'étudiante diplômée Elaa Hilou apparaissent dans Physical Review Materials. Les chercheurs espèrent qu'il inspirera des façons de regarder, modéliser et créer de nouveaux matériaux bidimensionnels tels que des catalyseurs ou des colloïdes accordables qui peuvent modifier leur surface à la demande.
Les expériences ont révélé des limites, formes, transitions de phase et création et résolution de défauts cristallins entre 300 et 1, 500 sphères magnétisées ont suivi leurs impulsions énergétiques sous l'influence du champ en mouvement.
"Je l'ai présenté comme une version miniaturisée d'une fidget spinner où nous utilisons le champ magnétique pour générer une interaction isotrope autour des particules, " a déclaré Biswal. "Nous pouvons créer des ensembles de particules qui sont de faible à très serrés par la force de cette interaction."
Elaa Hilou, étudiante diplômée de l'Université Rice. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Cela intéressait Biswal et Hilou, mais pas autant que ce qu'ils ont vu se passer sur les bords, où la tension de ligne formée par les particules les plus externes a déterminé la forme ultime des réseaux.
"Pensez à une bulle de savon, " dit Biswal. " Il forme toujours une sphère, même lorsque vous essayez de le déformer. C'est parce que la tension superficielle veut minimiser sa surface. C'est la même chose pour notre système, mais en deux dimensions. Les interactions essaient toujours de minimiser ce que nous appelons la tension de ligne.
"Elaa trouve l'interface de Gibbs et mesure l'énergie à cette interface où elle passe de plusieurs particules d'épaisseur (à de faibles intensités de champ magnétique) à presque une seule particule d'épaisseur en changeant la force de l'interaction, " dit-elle. " Elle a fait beaucoup d'analyses de la tension de la ligne et de son lien avec l'énergétique du système. "
L'étape suivante consiste à créer physique, modèles mobiles pour systèmes réels pour voir comment les constituants réagissent lorsqu'ils sont perturbés. "Il y a beaucoup d'intérêt à essayer de créer des modèles pour les systèmes atomiques et moléculaires, " Biswal a dit. " La plupart de cela a été fait par des simulations informatiques, mais ici, nous avons un système expérimental qui peut réaliser une structure et des processus tels que la coalescence."
Elaa Hilou, étudiante diplômée de l'Université Rice (à gauche) et le professeur Sibani Lisa Biswal ont mis en place une expérience dans un appareil qui combine un champ magnétique rotatif et un microscope. Les chercheurs étudient les effets d'un champ tournant sur les particules magnétiques. Leurs découvertes pourraient aider les chercheurs à modéliser des colloïdes pour les cosmétiques ainsi que des catalyseurs pour les produits chimiques, entre autres applications, dans un système physique. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"Par exemple, en catalyse, si vous souhaitez augmenter la surface, vous voulez plus de vides afin de faciliter le contact entre un catalyseur et une réaction, " dit Hilou. " En augmentant la concentration et en contrôlant le terrain, nous pouvons commencer à voir les vides et contrôler l'interface par rapport au volume."
La technique pourrait modéliser des émulsions, elle a dit. "Dites que vous avez de l'huile et de l'eau et que vous voulez les séparer en phases, " a déclaré Hilou. " Dans le cas des cosmétiques et de l'industrie alimentaire, vous voulez que les émulsions soient stables. Nous voulons pouvoir imiter leur dynamique en contrôlant la taille des particules et l'intensité du champ."
Biswal a déclaré que la technique pourrait également être utilisée pour modéliser des systèmes dans lesquels la température, plutôt que l'électromagnétisme, est le conducteur. Dans des domaines comme la métallurgie, les défauts sont éliminés "en augmentant la température pour donner aux molécules plus de liberté pour déplacer les joints de grains et les vides, " dit-elle. " Ensuite, ils diminuent la température pour verrouiller les structures.
"Ce que nous avons, c'est un cadran qui imite non seulement les effets de la température avec un champ magnétique, mais offre également la possibilité de regarder à travers un microscope ce qui se passe dans un système réel, " a déclaré Biswal.
Di Du Du diplômé diplômé de Rice, maintenant analyste statistique de recherche à l'Université du Texas MD Anderson Cancer Center, et l'étudiant diplômé Steve Kuei sont co-auteurs de l'article. La National Science Foundation a soutenu la recherche.
