Gli ingegneri mostrano che le particelle magnetiche rotanti seguono sorprendentemente le leggi termodinamiche

Gli ingegneri della Rice University Sibani Lisa Biswal e Kedar Joshi scoprono proprietà insolite nei colloidi magnetizzati che sorprendentemente aderiscono alla fisica descritta dall’equazione di Kelvin, che modella la termodinamica dei sistemi molecolari. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

Piccole sfere sospese in un liquido si muovono abbastanza come molecole che la fisica dell’una può essere usata per imitare la fisica dell’altra.

Ecco perché la scoperta di una fisica insolita nei colloidi, particelle disperse in una soluzione come il latte, per esempio, potrebbe interessare i ricercatori che studiano le interazioni biologiche.

L’ingegnere chimico e biomolecolare Sibani Lisa Biswal e il borsista post-dottorato Kedar Joshi della George R. Brown School of Engineering della Rice University hanno scoperto che quando un colloide, in questo caso una sospensione di particelle paramagnetiche di dimensioni micron, viene spinto da un campo magnetico, tende a cercare il suo stato di energia più bassa nello stesso modo in cui lo fanno i sistemi a gas e liquidi.

“È come cercare di far esplodere una bolla in una forma strana”, ha detto Biswal. “Ritorna sempre a una sfera.”

La loro scoperta, dettagliata nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze, non sfida esattamente l’equazione di Kelvin, che descrive le interazioni termodinamiche tra liquidi e gas. Ma allunga un po’ l’equazione.

“L’equazione di Kelvin deriva dalla termodinamica classica e ci dice come le fasi liquida e gassosa siano in equilibrio tra loro”, ha detto Biswal. “A Kedar piace fare l’esempio delle goccioline d’acqua: come mantengono una certa dimensione, anche con le fasi dell’acqua e del vapore intorno a loro”.







Le particelle colloidali dipolari sono espulse dall’equilibrio da un campo magnetico rotante. L’esperimento della Rice University dimostra come i gas, rappresentati dalle particelle disperse, ei liquidi, rappresentati dal cluster condensato, possono coesistere come vapore e liquido che segue l’equazione di Kelvin per i sistemi molecolari. Credito: Biswal Lab/Rice University

“Questi gruppi colloidali sono come le goccioline”, ha detto Joshi. “Cercano di rimanere circolari, piuttosto che assumere una forma arbitraria. Il nostro pensiero era che queste equazioni dovrebbero spiegare non solo una o due, ma anche ogni proprietà dei nostri colloidi”.

Lo studio estende il lavoro precedente del laboratorio per caratterizzare il modo in cui le particelle interagiscono nelle soluzioni, il più recente dimostrando come i colloidi superparamagnetici interagiscono tra loro in un campo magnetico in rapida rotazione.

“Questo rientra nella nostra competenza su come pensiamo a gas e liquidi, ma in un modo diverso”, ha detto Biswal. “Kedar ha deciso di applicare la formula al nostro sistema, in cui possiamo vedere le particelle, contarle e seguirle effettivamente attraverso le loro fasi ‘gas’ e condensate”.

I risultati sono stati sorprendenti, hanno scritto, perché l’equazione di Kelvin non è destinata ad applicarsi a sistemi sbilanciati. Negli esperimenti Rice, le particelle rappresentavano molecole liquide quando si accumulavano e molecole di gas quando disperse, entrambe qualità controllate dal campo magnetico rotante, un sostituto della variabile di temperatura dell’equazione.

I ricercatori hanno sbilanciato il loro colloide facendolo ruotare con il campo. Nonostante ciò, hanno scoperto che l’equazione era ancora valida per le interazioni osservate quando le particelle si univano o si separavano a seconda dell’intensità del campo.

I modelli per le molecole mostrano una fisica inaspettata

Il borsista post-dottorato della Rice University Kedar Joshi prepara un esperimento al Biswal Lab per vedere come i campi magnetici influenzeranno un colloide di particelle magnetiche. Joshi e il suo mentore, l’ingegnere chimico e biomolecolare Sibani Lisa Biswal, hanno recentemente scoperto proprietà insolite nei colloidi magnetizzati che aderiscono all’equazione di Kelvin, che modella la termodinamica. Credito: Jeff Fitlow/Rice University

“Le particelle hanno seguito il campo rotante; sembrano piccole ancorette miniaturizzate”, ha detto Biswal. “Ma se abbiamo aumentato la frequenza, abbiamo scoperto che generava un’interazione attraente isotropa tra le particelle”.

La forza di questo campo magnetico in rapida rotazione divenne una manopola che alzava e abbassava la “temperatura” e controllava se le particelle si condensavano in un liquido o si disperdevano come un gas. “Il sistema si comporta come se fosse influenzato dalla temperatura”, ha affermato Joshi, che ha recentemente lasciato la Rice per entrare a far parte della facoltà dell’Indian Institute of Technology, Goa. “Volevamo dimostrare che avrebbe replicato ciò che fanno le fasi classiche in termini di tensione di vapore, viscosità e tensione superficiale”.

Biswal ha affermato che lo studio ha implicazioni anche per dispositivi come i display di controllo che utilizzano cristalli liquidi. “Il nuovo documento riguarda l’idea che si può avere una coesistenza (tra la fase liquida e quella gassosa)”, ha detto. “Essere in grado di vedere come i campi magnetici possono essere utilizzati per controllare come questi sistemi sono in grado di raggiungere fasi coesistenti è importante per progettare materiali che siano riconfigurabili o che abbiano una proprietà desiderata”.


Le sfere a rotazione rapida mostrano i segreti dei sistemi su scala nanometrica


Maggiori informazioni:
Estensione dell’equazione di Kelvin ai colloidi dipolari, Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (2022). DOI: 10.1073/pnas.2117971119.

Fornito da Rice University

Citazione: Gli ingegneri mostrano che le particelle magnetiche rotanti seguono sorprendentemente le leggi termodinamiche (2022, 14 marzo) recuperate il 15 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-magnetic-particles-surprisingly-thermodynamic-laws.html

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