Her çocuğa aşina, ancak dünyayı şekillendirecek kadar güçlü
Mıknatıslar genellikle çoğumuzun çocuk olarak karşılaştığı ilk bilimsel araçlardan biridir – görünmez güçlerle birbirini çeken veya iten büyülü ama büyülü nesneler. Geleneksel mıknatıslar, çoğumuz okul deneylerinde kullananlar gibi, tipik olarak metal gibi sert malzemelerden yapılmış sert ve şekil sabittir. İki manyetik kutuplara (North ve Güney) ve mıknatıs yapıldıktan sonra kolayca değiştirilemeyen sabit bir mıknatıslama yönü vardır. Tarihsel olarak, mıknatıslar dönüştürücü roller oynamıştır – keşif çağında okyanuslarda kaşiflere rehberlik eden pusulayı düşünün. Çocukluk merakının ötesinde, mıknatıslar, yumuşak robotiklerden giyilebilir elektroniklere, mikroakışkanlara ve minimal invaziv tıbbi araçlara kadar yeni nesil gelişmiş teknolojilere sürekli olarak güç veriyor.
Temel problem
Çoğu mıknatıs tabanlı sistemde, performans büyük ölçüde her birimin uzaktan etkileşim için ürettiği manyetik alanlara ve harekete geçme için hareket veya şekil moralını yönlendiren kuvvetler ve torklar üretmek için harici manyetik alanlarla nasıl etkileşime girdiğini. Bu manyetik kuvvetler, torklar ve alanlar iki temel faktörle belirlenir: her manyetik ünitenin mıknatıslanması ve bu birimlerin nasıl hizalandığı yönü. Bununla birlikte, lokal mıknatıslama yönü ayarı genellikle mikro magnetlerin yüksek zorluluğunun üstesinden gelmek veya düşük verimliliğe veya zayıf mekansal çözünürlük ile mikro döngü üzerindeki konformal düzeneği ayarlamak için tekrarlanan prosedürlerden muzdarip olan katı koşullar (curie noktasından daha yüksek sıcaklıklar ve zorlayıcı alandan daha güçlü alanlar) gerektirir.
Biyo-esinlenen tasarım
En son çalışmamızda doğrusal bir mıknatıs tanıtıyoruz şeffaf bir hidrojel matris ve ayrık oluşur faz değişim malzemesi (PCM) NDFEB manyetik mikropartikülleri (~ 5 μm) içeren hücreler. İlhamımız doğadan geliyor, özellikle Magnetospirillum Magnetyum (Amb-1), bir tür manyetotaktik bakteri hidrojel benzeri hücre zarı içinde manyetit açısından zengin manyetozom zincirleri içerir. Hidrojel benzeri hücre zarı, bakterilerin konformal veya aktif şekil moralına tabi tutulmasını sağlar ve hizalanmış manyetozom zincirlerinden kaynaklanan içsel manyetik dipol momenti, bakterileri harici manyetik alanlara yanıt verebilme yeteneğiyle verir. Bununla birlikte, manyetozom zincirlerinin yönlendirme yönleri birleştikten sonra değişmezdir, bu da manyetotaktik bakterilerin sadece jeomanyetik alanla ilişkili sabit bir manyetik eksen boyunca hareket etmesini sağlar. Bu sınırlama, bu sistemin yapay, esnek bir versiyonunu yaratıp yaratamayacağımızı sormamıza ilham verdi – güçlü bir manyetik yanıtı koruyan, ancak programlanabilir yönlülük ile. PCM (yani, eikosan, erime noktası ~ 36 ℃) böylece bu manyetik parçacıkları hidrojel içindeki çevreleyen birleştirilir.
Sanatsal mekanizma ve üretim teknolojisi
Birden çok malzemeyi mikro ölçekli hassasiyetle entegre eden doğrusal bir hidrojel yapısı imal etmek kolay bir iş değildir – ancak mikroakışkan teknolojinin devreye girdiği yerdir. Bu tekniği kullanarak, küçük, eşit aralıklı manyetik hücreleri bir hidrojel matrisine yerleştiririz. Her hücre, Ndfeb manyetik mikropartikülleri (~ 5 μm) yüklü bir PCM içerir. Odaklanmış bir yakın kızılötesi lazer kullanarak, seçilen hücreleri yerel olarak 40 ° C'ye ısıtabiliriz, PCM'yi manyetik parçacıkların serbestçe dönmesine izin verecek kadar eritebilir. Hafif bir harici manyetik alanın (~ 30 mt) yardımıyla, bu parçacıkların hizalamasını yeniden yönlendiriyoruz. Soğutulduktan sonra, PCM tekrar katılaşır ve manyetik parçacıkları yeni bir yöne kilitler. Bu basit ışık tetiklenen anahtar, her hücrenin mıknatıslama yönünü tek tek, yüksek hassasiyetle (~ 150 μm) yeniden yazmamızı sağlar. Tüm mıknatıs da oldukça gerilebilir (% 80'e kadar gerginlik), bu da çeşitli kavisli yüzeylere uymak için idealdir. Bu doğrusal mıknatıs, rijit ve tek bir sabit manyetik yöne sahip çocukluk anılarımızdaki mıknatıslardan tamamen farklıdır.
Çeşitli uygulamalar için çok yönlü işlevler
Doğrusal mıknatısı bir yüzeye sararak veya giyilebilir cihazlara dokunarak, belirli alanlara göre uyarlanmış lokalize manyetik alanlar oluşturduk. Bu, manyetik olarak duyarlı malzemeler veya etkileşimli giyilebilir cihazlar sağlayabilir. Ek olarak, doğrusal mıknatıs da programlanabilir aktüatör olarak çalışabilir. Harici alanlar altında, doğrusal magnet tabanlı cihazlar, programlanmış manyetik hücrelere bağlı olarak özelleştirilmiş deformasyon modları sergiledi. Bu, komutta şekil moral davranışına ihtiyaç duyan yumuşak robotik veya minimal invaziv araçlar için idealdir. Ayrıca, doğrusal mıknatıs manyetik bir kodlayıcı olarak işlev görebilir, her birim farklı bir alan imzası taşır. Basit salon sensörlerini kullanarak, pozisyonu veya hızı temsil eden sinyaller kod çözülebilir, hareket izleme veya programlanabilir uygulamaları destekleyebilir Elektrikli cihazlar.
Perspektifler
İleriye baktığımızda, bu doğrusal mıknatısın gelişmiş 3D baskı teknikleriyle birleştirilmesi, kesin olarak tanımlanmış, mekansal olarak programlanabilir mıknatıslanmaya sahip karmaşık 3D mimarilerin üretilmesini sağlayabilir. Minyatürleştirilmiş ölçeği, biyouyumlu hidrojel matrisi ve gerilebilir tasarımı, gömülü manyetik mikrosensörlerin kalp hızı gibi ince hareketleri veya fizyolojik sinyalleri izleyebileceği giyilebilir veya implante edilebilir cihazlara entegrasyon için uygun son derece çok yönlü bir platform haline getirir. Dahası, yumuşak, yeniden yapılandırılabilir doğası, hedeflenen tanı ve ilaç iletimi için manyetik mikrorobotlar gibi minimal invaziv ilaçta yeni olasılıklar açar. Bu konsepti doğrusal yapıların ötesinde 2D tabakalara veya 3D hacimlere genişletmek, sonuçta programlanabilir manyetik metamateryalleri, uyarlanabilir yüzeyleri ve gömülü akıllı manyetik işlevselliklere sahip biyo-entegre yapay dokuları etkinleştirebilir.
Nature Communications'da “Esnek Cihazlar İçin Sıvı-Solid Değiştirilebilir Hücreler ile Doğrusal Mıknatıs” başlıklı bu çalışma yayınlandı.
Bizi bulmak için hızlı
İlk yazar: Qiyu Deng
İlgili Yazarlar: Liqiu Wang Xiaobo Yin Wei Li Xin Tang
İncir. 1. Magnetospirillum Magnetyum-Dünen lineer mıknatıs Sıvı-katı değiştirilebilir hücreler ile. A NDFEB mikropartikülleri içeren eşit olarak dağıtılmış faz değişim malzemesi (PCM) mikroküreleri (yani mikro hücreler) barındıran bir aljinat hidrojel dizesi olan programlanabilir doğrusal mıknatısın şemaları. Sağ alttaki iç kısım görüntüsü Magnetospirillum Magnetyum (Amb-1), hidrojel benzeri hücre zarında manyetit bakımından zengin manyetozom zincirlerine sahiptir. Ölçek çubuğu: 1 μm. B Doğrusal mıknatısın bir bölümünü gösteren optik mikroskopi görüntüleri. Ölçek çubukları: 3 mm (sol), 500 μm (sağ). C Doğrusal mıknatıs için programlama stratejisinin şemaları. Yakın kızılötesi (NIR) lazer ışınlaması üzerine PCM, Ndfeb mikropartiküllerinin içsel fototermal özelliği nedeniyle sıvı durumuna erir. NDFEB mikropartikülleri üzerindeki sınır kısıtlaması, hafif bir programlama manyetik alanında ve sıcaklıkta yeniden düzenlenmesine izin vererek çıkarılır. Lazeri kapatarak, PCM katı bir halde katılaşır ve NDFEB mikropartikülleri kinematik olarak sabitlendiği için programlanmış mıknatıslanma korunur. Sağdaki içler, bir hücrenin mıknatıslama yönünün bir yönden diğerine programlandığını gösterir. Ölçek çubuğu: 100 μm. D Farklı mıknatıs tabanlı sistemlerin karşılaştırılması. Doğrusal mıknatısın zorluğu bir ferrofluid ve geleneksel bir katı mıknatıs gibi akışkan bir mıknatıstan daha güçlü olmasına rağmen, sıvı-katı anahtarlanabilir hücreleri mıknatıslanma yönünü değiştirmeyi daha basit hale getirir. Ek olarak, hidrojelin doğrusal mıknatısın yumuşaklığı, ferrofluid ve akışkan mıknatıslar gibi uygun bir şekilde monte edilmeyi kolaylaştırır. e 7 hücreli doğrusal mıknatısın 4. hücresinin seçici programlaması. Ölçek çubuğu: 500 μm. F Sabit bir manyetik alanda (dikey yönde 30 mt) doğrusal mıknatısın yeniden programlanabilir şekil moralları. Ölçek çubuğu: 10 mm. G 3D baskılı karakter oluklu bir yüzey, doğrusal mıknatıslar ve doğrusal mıknatıslarla dokunmuş bir kumaş parçası ile uygun olarak montajlı. Ölçek çubukları: 5 mm.
Bir yanıt yazın