Imaginați-vă particule invizibile cu ochiul liber, capabile să se organizeze în structuri complexe pentru a crea micromașini medicale sau pentru a administra medicamente direct în celule. Ceea ce sună a science fiction ar putea deveni în curând realitate, datorită unei echipe de cercetători de la Universitatea Rice. Prin manipularea câmpurilor magnetice, acești ingineri au descoperit că particulele numite coloizi superparamagnetici pot fi aranjate cu o precizie surprinzătoare pentru a forma structuri cu modele fascinante, dintre care unele seamănă cu Pac-Man. Această descoperire ar putea revoluționa medicina și nanotehnologia.
Un coloid este un amestec în care particule mici sunt dispersate într-un alt material. Un exemplu simplu de coloid este laptele, în care particulele de grăsime sunt distribuite în apă. Aici, vorbim despre particule mult mai mici numite coloizi superparamagnetici. Acest termen înseamnă pur și simplu că aceste particule reacționează extrem de sensibil la câmpurile magnetice. Aceste particule de dimensiunea unui micron (de aproximativ o sută de ori mai mici decât grosimea unui fir de păr uman) nu sunt vizibile cu ochiul liber, dar capacitatea lor de a reacționa la câmpurile magnetice le face extrem de interesante pentru cercetare și inginerie. Prin manipularea lor cu câmpuri magnetice, cercetătorii pot crea materiale capabile să se auto-asambleze în structuri complexe, de la lanțuri simple la rețele cristaline.
În studiul lor, echipa condusă de Lisa Biswal a făcut o descoperire importantă, care a fost prezentată într-un articol publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Atunci când cercetătorii au expus aceste coloizi la un câmp magnetic rotativ, particulele au început să se organizeze spontan în așa-numitele structuri anizotrope, adică structuri a căror formă și direcție depind de câmpul magnetic. Imaginați-vă niște sfere metalice, goale în interior, care plutesc în apă. Aceste sfere se mișcă aleatoriu, dar dacă rotiți un magnet deasupra lor, ele se aliniază în lanțuri sau grupuri care urmează rotația magnetului. Acest fenomen de reorganizare controlată se află în centrul descoperirilor echipei. El face posibilă proiectarea materialelor pe baza comportamentului particulelor în sine și obținerea de structuri personalizate. Aici intervine un fenomen amuzant, dar esențial. Studiind mai îndeaproape comportamentul particulelor magnetizate, cercetătorii au descoperit că anumite structuri formate de aceste particule seamănă cu Pac-Man, celebrul personaj de jocuri video. Atunci când o particulă dobândește un dipol magnetic (imaginați-vă o axă a polilor nord și sud ca o busolă), aceasta formează structuri specifice. Gura lui Pac-Man apare acolo unde interacțiunile dintre particule sunt mai slabe, iar capul său acolo unde sunt mai puternice. Acest lucru explică modul în care particulele se aliniază și interacționează sub influența câmpului magnetic, un detaliu vizual fascinant care este, de asemenea, esențial pentru înțelegerea organizării lor. Acest fenomen, deși amuzant, este o cheie pentru controlul formării structurilor în aplicații practice.
Un alt aspect esențial al descoperirii se referă la timpul de relaxare magnetică, adică timpul necesar particulelor pentru a reacționa la o modificare a câmpului magnetic. Această ușoară întârziere a reacției lor permite crearea unor structuri și mai complexe. Atunci când câmpul magnetic se rotește, particulele nu urmează mișcarea imediat. Ele au nevoie de un moment pentru a se adapta, permițând cercetătorilor să le organizeze în lanțuri aliniate sau în grupuri alungite, în funcție de intensitatea și frecvența câmpului magnetic. Datorită acestui fenomen, este posibil să se moduleze modul în care particulele interacționează pentru a obține o varietate de configurații, de la rețele cristaline la structuri tridimensionale. Această capacitate de a controla particulele la scară microscopică deschide perspective fascinante. În domeniul medical, de exemplu, aceste tehnologii ar putea fi folosite pentru a produce microroboți capabili să navigheze în interiorul corpului uman și să administreze medicamente cu o precizie incredibilă, țintind direct celulele bolnave. Acest lucru ar reduce efectele secundare și ar crește eficacitatea tratamentelor, în special pentru boli precum cancerul.
Acești coloizi superparamagnetici ar putea fi folosiți și pentru a crea așa-numitele materiale inteligente, capabile să își schimbe forma sau funcția ca răspuns la mediul lor. Imaginați-vă acoperiri sau dispozitive care se adaptează automat la temperatura sau lumina ambiantă, sau implanturi medicale care se modifică în funcție de nevoile organismului.
