L'accord d'un fluide magnétique avec un champ électrique crée des motifs dissipatifs contrôlables

Photographies et micrographies montrant les différents modèles présentés par l'électroferrofluide :modèles d'équilibre dans le champ magnétique uniquement (à gauche) et modèles de non-équilibre créés sous une combinaison de champs électriques et magnétiques (à droite). Crédit :Groupe de recherche sur la matière active dirigé par le professeur Timonen/Université Aalto

Des chercheurs de l'Université Aalto ont montré qu'une suspension de nanoparticules peut servir de modèle simple pour étudier la formation de motifs et de structures dans des systèmes hors équilibre plus complexes, tels que des cellules vivantes. Le nouveau système sera non seulement un outil précieux pour l'étude des processus de structuration, mais il a également un large éventail d'applications technologiques potentielles.

Le mélange est constitué d'un liquide huileux portant des nanoparticules d'oxyde de fer, qui s'aimantent dans un champ magnétique. Dans de bonnes conditions, l'application d'une tension aux bornes de ce ferrofluide provoque la migration des nanoparticules, formant un gradient de concentration dans le mélange. Pour que cela fonctionne, le ferrofluide doit également inclure du docusate, un produit chimique cireux qui peut transporter une charge à travers le fluide.

Les chercheurs ont découvert que la présence de docusate et une tension aux bornes du ferrofluide entraînaient une séparation des charges électriques, les nanoparticules d'oxyde de fer devenant chargées négativement. "Nous ne nous attendions pas du tout à cela", explique Carlo Rigoni, chercheur postdoctoral à Aalto. "Nous ne savons toujours pas pourquoi cela se produit. En fait, nous ne savons même pas si les charges sont déjà divisées lorsque le docusate est ajouté ou si cela se produit dès la mise sous tension."

Pour refléter la nouvelle sensibilité aux champs électriques, les chercheurs appellent le fluide un électroferrofluide au lieu de simplement un ferrofluide. Cette réactivité électrique provoque la migration des nanoparticules et les différences de concentration de nanoparticules qui en résultent modifient la réactivité magnétique de l'électroferrofluide.

En conséquence, l'application d'un champ magnétique à travers l'électroferrofluide modifie la distribution des nanoparticules, le motif précis dépendant de la force et de l'orientation du champ magnétique. En d'autres termes, la distribution des nanoparticules est instable, passant d'un état à un autre, entraînée par un petit changement du champ magnétique externe. La combinaison de la tension et du docusate a transformé le fluide d'un système à l'équilibre en un système hors d'équilibre qui nécessite un apport d'énergie constant pour maintenir son état - un système dissipatif.

Ces dynamiques inattendues rendent les électroferrofluides particulièrement intéressants tant sur le plan scientifique qu'en termes d'applications potentielles. "Les ferrofluides ont attiré l'attention des scientifiques, des ingénieurs et des artistes depuis leur découverte dans les années 1960. Maintenant, nous avons trouvé une approche vraiment facile pour contrôler leurs propriétés magnétiques à la volée simplement en appliquant une petite tension pour chasser le fluide de la thermodynamique. Cela permet un tout nouveau niveau de contrôle des propriétés des fluides pour les applications technologiques, la complexité dans la formation des motifs et peut-être même de nouvelles approches artistiques », explique Jaakko Timonen, professeur de physique expérimentale de la matière condensée à Aalto, qui a supervisé la recherche .

"La conduite dissipative est le mécanisme général qui crée les modèles et les structures tout autour de nous", explique Rigoni. "La vie est un exemple. Les organismes doivent continuellement dissiper de l'énergie jusqu'à leur état ordonné, et c'est également vrai pour la grande majorité des modèles et des structures des écosystèmes."

Rigoni explique que cette découverte fournit un système modèle précieux pour les chercheurs qui tentent de comprendre les systèmes dissipatifs et la formation de motifs qu'ils sous-tendent, que ce soit sous la forme d'organismes vivants ou de systèmes non vivants complexes.

"La plupart des systèmes dissipatifs sont très complexes. Par exemple, il est très difficile de réduire les structures vivantes à un ensemble de paramètres simples qui pourraient expliquer l'émergence de certaines structures", explique Rigoni. Le ferrofluide commandé en tension peut être utilisé pour étudier la transition vers un système dissipatif et comprendre comment des influences externes, telles qu'un champ magnétique, interagissent avec le système pour générer ou modifier des structures. "This could give us hints about how dissipative structures in more complex contexts are created," Rigoni says.

In addition to its value in fundamental research, the discovery also has potential practical applications. The ability to control the pattern and distribution of nanoparticles is valuable in a range of technologies, such as optical grids and e-ink screens, and the very low power consumption makes this approach especially attractive. "This initial research was mainly about the basic science, but we've already started work that focuses on applications," says Rigoni. + Explorer plus loin