Magnetische Zilien – künstliche Haare, deren Bewegung durch eingebettete Magnetpartikel angetrieben wird – gibt es schon seit einiger Zeit und sind für Anwendungen in der Soft-Robotik, beim Transport von Objekten und beim Mischen von Flüssigkeiten von Interesse. Vorhandene magnetische Flimmerhärchen bewegen sich jedoch auf eine feste Art und Weise.
Forscher haben nun eine Technik zur Erzeugung magnetischer Flimmerhärchen demonstriert, die „umprogrammiert“ werden können, indem sie ihre magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur ändern, um die Bewegung der Flimmerhärchen nach Bedarf zu ändern.
Die meisten magnetischen Flimmerhärchen nutzen „weiche“ Magnete, die kein Magnetfeld erzeugen, aber in Gegenwart eines Magnetfelds magnetisch werden. Nur wenige bisherige magnetische Flimmerhärchen nutzten „harte“ Magnete, die in der Lage waren, ihr eigenes Magnetfeld zu erzeugen.
Einer der Vorteile der Verwendung von Hartmagneten besteht darin, dass sie programmierbar sind, das heißt, man kann dem vom Material erzeugten Magnetfeld eine bestimmte Polarisation geben. Durch die Steuerung der magnetischen Polarisation – oder Magnetisierung – können Sie im Wesentlichen genau bestimmen, wie sich die Flimmerhärchen biegen, wenn ein externes Magnetfeld angelegt wird.
„Das Neue an dieser Arbeit ist, dass wir eine Technik demonstriert haben, die es uns nicht nur ermöglicht, magnetische Flimmerhärchen zu programmieren, sondern sie auch kontrollierbar umzuprogrammieren“, sagt Joe Tracy, korrespondierender Autor einer Arbeit über die Arbeit und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der North Carolina State University.
„Wir können die Richtung der Magnetisierung des Materials bei Raumtemperatur ändern, was uns wiederum ermöglicht, die Biegung der Flimmerhärchen vollständig zu ändern. Es ist, als würde man einen Schwimmer dazu bringen, seinen Schwimmstil zu ändern.“
Für diese Arbeit stellten die Forscher magnetische Flimmerhärchen her, die aus einem Polymer bestehen, in das magnetische Mikropartikel eingebettet sind. Konkret handelt es sich bei den Mikropartikeln um Neodym-Magnete – leistungsstarke Magnete aus Neodym, Eisen und Bor. Das Papier, „Magnetische Neuprogrammierung selbstorganisierter hartmagnetischer Zilien,“ wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche Materialtechnologien.
Um die Flimmerhärchen herzustellen, bringen die Forscher die magnetischen Mikropartikel in ein in einer Flüssigkeit gelöstes Polymer ein. Diese Aufschlämmung wird dann einem elektromagnetischen Feld ausgesetzt, das stark genug ist, um allen Mikropartikeln die gleiche Magnetisierung zu verleihen.
Indem die Forscher beim Trocknen des flüssigen Polymers dann ein schwächeres Magnetfeld anlegen, können sie das Verhalten der Mikropartikel steuern, was zur Bildung von Flimmerhärchen führt, die in regelmäßigen Abständen über das Substrat verteilt sind.
„Dieser regelmäßig geordnete Zilienteppich ist zunächst so programmiert, dass er sich einheitlich verhält, wenn er einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird“, sagt Tracy. „Aber was hier wirklich interessant ist, ist, dass wir dieses Verhalten umprogrammieren können, sodass die Flimmerhärchen für eine völlig andere Betätigung verwendet werden können.“
Dazu betten die Forscher die Flimmerhärchen zunächst in Eis ein, wodurch alle Flimmerhärchen in der gewünschten Richtung fixiert werden. Anschließend setzen die Forscher die Flimmerhärchen einem gedämpften magnetischen Wechselfeld aus, das die Magnetisierung der Mikropartikel durcheinander bringt. Mit anderen Worten: Sie löschen im Wesentlichen die vorprogrammierte Magnetisierung aus, die allen Mikropartikeln gemeinsam war, als die Zilien hergestellt wurden.
„Der Neuprogrammierungsschritt ist ziemlich einfach“, sagt Tracy. „Wir legen ein oszillierendes Feld an, um die Magnetisierung zurückzusetzen, und legen dann ein starkes Magnetfeld an die Flimmerhärchen an, das es uns ermöglicht, die Mikropartikel in eine neue Richtung zu magnetisieren.“
„Indem wir die anfängliche Magnetisierung größtenteils löschen, können wir die Magnetisierung der Mikropartikel besser neu programmieren“, sagt Matt Clary, Erstautor der Arbeit und Doktorand. Student an der NC State. „Wir zeigen in dieser Arbeit, dass man bei der Neuprogrammierung weniger Kontrolle über die Ausrichtung der Magnetisierung der Mikropartikel hat, wenn man diesen Löschschritt weglässt.“
„Wir haben außerdem herausgefunden, dass wir, wenn die Magnetisierung der Mikropartikel senkrecht zur Längsachse der Flimmerhärchen verläuft, dazu führen können, dass die Flimmerhärchen in einem rotierenden Feld „einrasten“, was bedeutet, dass sie abrupt ihre Ausrichtung ändern“, sagt Tracy.
Darüber hinaus entwickelte das Forschungsteam ein Rechenmodell, das es Nutzern ermöglicht, das Biegeverhalten magnetischer Flimmerhärchen basierend auf Hartmagneten abhängig von der Ausrichtung der Polarisation der Flimmerhärchen vorherzusagen.
„Dieses Modell könnte in Zukunft als Leitfaden für das Design hartmagnetischer Zilien und verwandter weicher Aktuatoren verwendet werden“, sagt Ben Evans, Co-Autor der Arbeit und Professor für Physik an der Elon University.
„Letztendlich glauben wir, dass diese Arbeit für das Fachgebiet wertvoll ist, weil sie die Umnutzung magnetischer Flimmerhärchen für neue Funktionen oder Anwendungen ermöglicht, insbesondere in abgelegenen Umgebungen“, sagt Tracy. „Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden können auch auf das breitere Gebiet der magnetischen Soft-Aktuatoren angewendet werden.“
Der Artikel wurde von Saarah Cantu mitverfasst, einer ehemaligen Doktorandin an der NC State; und Jessica Liu, eine ehemalige Ph.D. Student an der NC State.
Mehr Informationen:
Matthew R. Clary et al., Magnetische Reprogrammierung selbstorganisierter hartmagnetischer Zilien, Fortschrittliche Materialtechnologien (2024). DOI: 10.1002/admt.202302243