用电场调整磁流体会产生可控的耗散模式

阿尔托大学的研究人员表明，纳米颗粒悬浮液可以作为研究更复杂的非平衡系统(如活细胞)中图案和结构形成的简单模型。新系统不仅是研究图案化过程的宝贵工具，而且具有广泛的潜在技术应用。

该混合物由带有氧化铁纳米颗粒的油状液体组成，这些纳米颗粒在磁场中会被磁化。在合适的条件下，在铁磁流体上施加电压会导致纳米颗粒迁移，从而在混合物中形成浓度梯度。为此，铁磁流体还必须包括多库酯，一种可以通过流体携带电荷的蜡状化学物质。

研究人员发现，多库酯的存在和铁磁流体两端的电压导致电荷分离，氧化铁纳米颗粒带负电。“我们根本没想到会这样，”阿尔托的博士后研究员 Carlo Rigoni 说。“我们仍然不知道为什么会发生这种情况。事实上，我们甚至不知道在添加多库酯时电荷是否已经分裂，或者是否在打开电压后立即发生。”

为了反映对电场的新敏感性，研究人员将这种流体称为电铁磁流体，而不仅仅是铁磁流体。这种电响应导致纳米颗粒迁移，由此产生的纳米颗粒浓度差异改变了电铁磁流体的磁响应。

因此，在电铁磁流体上施加磁场会改变纳米颗粒的分布，精确的图案取决于磁场的强度和方向。换句话说，纳米粒子的分布是不稳定的，在外部磁场的微小变化的驱动下，会从一种状态转变为另一种状态。电压和多库酯的组合将流体从平衡系统转变为需要恒定能量输入以维持其状态的非平衡系统——耗散系统。

这些意想不到的动力学使电铁磁流体在科学和潜在应用方面都特别有趣。“自 1960 年代被发现以来，铁磁流体就引起了科学家、工程师和艺术家的注意。现在，我们找到了一种真正简便的方法，只需施加一个小电压即可将流体从热力学中驱除，从而实时控制它们的磁性。平衡。这允许对技术应用的流体特性、模式形成的复杂性，甚至新的艺术方法进行全新的控制，“阿尔托实验凝聚态物理学教授 Jaakko Timonen 说，他监督了这项研究.

“耗散驱动是在我们周围创造模式和结构的一般机制，”里戈尼说。“生命就是一个例子。生物体必须不断地将能量耗散到它们的有序状态，生态系统中的绝大多数模式和结构也是如此。”

Rigoni 解释说，这一发现为试图了解耗散系统及其支持的模式形成的研究人员提供了一个有价值的模型系统，无论是生物体还是复杂的非生命系统。

“大多数耗散系统都非常复杂。例如，很难将生命结构简化为一组可以解释某些结构出现的简单参数，”里戈尼说。电压驱动的铁磁流体可用于研究向耗散系统的转变，并了解外部影响(例如磁场)如何与系统相互作用以生成或修改结构。“这可以为我们提供有关如何在更复杂的环境中创建耗散结构的提示，”Rigoni 说。

除了在基础研究方面的价值外，这一发现还具有潜在的实际应用价值。控制纳米粒子的图案和分布的能力在一系列技术中很有价值，例如光学网格和电子墨水屏幕，而且非常低的功耗使这种方法特别有吸引力。“这项最初的研究主要是关于基础科学，但我们已经开始了专注于应用的工作，”里戈尼说。

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