Des chercheurs du MIT ont découvert un phénomène qui pourrait être exploité pour contrôler le mouvement de minuscules particules flottant en suspension. Cette approche, qui nécessite simplement d'appliquer un champ électrique externe, peut finalement conduire à de nouvelles façons d'effectuer certains procédés industriels ou médicaux qui nécessitent la séparation de minuscules matières en suspension.

Les résultats sont basés sur une version électrocinétique du phénomène qui donne aux boules courbes leur courbe, connu sous le nom d'effet Magnus. Zachary Sherman Ph.D. '19, qui est maintenant post-doctorant à l'Université du Texas à Austin, et James Swan, professeur de génie chimique au MIT, décrivent le nouveau phénomène dans un article publié cette semaine dans la revue Lettres d'examen physique .

L'effet Magnus fait qu'un objet en rotation est tiré dans une direction perpendiculaire à son mouvement, comme dans la balle courbe; il est basé sur des forces aérodynamiques et opère à des échelles macroscopiques, c'est-à-dire sur des objets facilement visibles, mais pas sur des particules plus petites. Le nouveau phénomène, induit par un champ électrique, peut propulser des particules jusqu'à des échelles nanométriques, en les déplaçant dans une direction contrôlée sans aucun contact ni pièces mobiles.

La découverte a été une surprise, alors que Sherman testait un nouveau logiciel de simulation pour les interactions de minuscules particules nanométriques qu'il développait, dans les champs magnétiques et électriques. Le cas test qu'il étudiait consiste à placer des particules chargées dans un liquide électrolytique, qui sont des liquides avec des ions, ou des atomes ou molécules chargés, en eux.

C'était connu, il dit, que lorsque des particules chargées de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres de diamètre sont placées dans de tels liquides, elles y restent en suspension au lieu de se déposer, formant un colloïde. Les ions se regroupent alors autour des particules. Le nouveau logiciel a simulé avec succès ce regroupement d'ions. Prochain, il a simulé un champ électrique à travers le matériau. Cela devrait induire un processus appelé électrophorèse, qui propulseraient les particules dans la direction du champ appliqué. De nouveau, le logiciel a correctement simulé le processus.

Puis Sherman a décidé de pousser plus loin, et progressivement augmenté la force du champ électrique. "Mais ensuite nous avons vu cette drôle de chose, " dit-il. " Si le champ était assez fort, vous obtiendriez une électrophorèse normale pendant un tout petit peu, mais alors les colloïdes commenceraient spontanément à tourner." Et c'est là que l'effet Magnus entre en jeu.

Non seulement les particules tournaient dans les simulations au fur et à mesure qu'elles se déplaçaient, mais « ces deux mouvements accouplés, et la particule en rotation s'écarterait de sa trajectoire, " dit-il. " C'est un peu étrange, parce que vous appliquez une force dans une direction, et puis la chose se déplace dans une direction orthogonale [à angle droit] à ce que vous avez spécifié. il dit. "Si vous lancez une balle courbe au baseball, il va dans la direction où vous l'avez lancé, mais ensuite ça dévie aussi. C'est donc une sorte de version microscopique de cet effet Magnus macroscopique bien connu."

Lorsque le champ appliqué était suffisamment fort, les particules chargées ont pris un fort mouvement dans la direction perpendiculaire au champ. Cela peut être utile, il dit, car avec l'électrophorèse "la particule se déplace vers l'une des électrodes, et vous rencontrez ce problème où la particule se déplacera puis elle se heurtera à l'électrode, et il s'arrêtera de bouger. Donc, vous ne pouvez pas vraiment générer un mouvement continu avec juste une électrophorèse."

Au lieu, puisque ce nouvel effet va perpendiculairement au champ appliqué, il pourrait être utilisé par exemple pour propulser des particules le long d'un microcanal, simplement en plaçant des électrodes en haut et en bas. De cette façon, il dit, la particule "se déplacera simplement le long du canal, et il ne heurtera jamais les électrodes. il dit, "en fait un moyen plus efficace de diriger le mouvement des particules microscopiques."

Il existe deux types différents d'exemples de processus où cette capacité peut s'avérer utile, il dit. L'une consiste à utiliser la particule pour livrer une sorte de « cargaison » à un endroit spécifique. Par exemple, la particule pourrait être attachée à un médicament thérapeutique "et vous essayez de l'amener vers un site cible qui a besoin de ce médicament, mais vous ne pouvez pas y obtenir le médicament directement, " dit-il. Ou la particule peut contenir une sorte de réactif chimique ou de catalyseur qui doit être dirigé vers un canal spécifique pour effectuer la réaction souhaitée.

L'autre exemple est en quelque sorte l'inverse de ce processus :ramasser une sorte de matériel cible et le ramener. Par exemple, une réaction chimique pour générer un produit peut également générer de nombreux sous-produits indésirables. « Donc, vous avez besoin d'un moyen de sortir un produit, " dit-il. Ces particules peuvent être utilisées pour capturer le produit et ensuite être extraites à l'aide du champ électrique appliqué. " De cette façon, elles agissent en quelque sorte comme de petits aspirateurs, " dit-il. " Ils ramassent la chose que vous voulez, et ensuite vous pouvez les déplacer ailleurs, puis relâchez le produit là où il est plus facile à récupérer."

Il dit que cet effet devrait s'appliquer à un large éventail de tailles de particules et de matériaux de particules, et l'équipe continuera d'étudier comment différentes propriétés des matériaux affectent la vitesse de rotation ou la vitesse de translation de cet effet. Le phénomène de base devrait s'appliquer à pratiquement toutes les combinaisons de matériaux pour les particules et le liquide dans lequel elles sont en suspension, tant que les deux diffèrent l'un de l'autre en termes de propriété électrique appelée constante diélectrique.

Les chercheurs ont étudié des matériaux à très haute constante diélectrique, telles que des particules métalliques, suspendu dans un électrolyte beaucoup moins conducteur, comme l'eau ou les huiles. "Mais vous pourriez aussi être capable de voir cela avec deux matériaux qui ont un contraste" en constante diélectrique, Sherman dit, par exemple avec deux huiles qui ne se mélangent pas et forment ainsi des gouttelettes en suspension.