Den magnetiske oljen i Andreas Carlsons pipette ser nokså normal ut, men kan brukes til å endre materialers egenskaper på en forbløffende måte. (Foto: Bjarne Røsjø, UiO)
Den magnetiske oljen i Andreas Carlsons pipette ser nokså normal ut, men kan brukes til å endre materialers egenskaper på en forbløffende måte. (Foto: Bjarne Røsjø, UiO)

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Forskere har utviklet en ny type materialer med en justerbar overflate hvor ulike egenskaper, som glattheten, kan skrus av og på. Hemmeligheten er å dekke overflaten med en væske som inneholder små magnetiske partikler.

Published

Multifunksjonelle materialer og nanoteknologi er et hett område innenfor internasjonal forskning for tiden.

Nå har forskere fra blant annet USA og Norge utviklet en teknologi som kan gi forskjellige materialer en overflate med egenskaper som enkelt kan endres.

Hemmeligheten er at overflaten dekkes med en væske som inneholder bitte små magnetiske partikler, på en slik måte at overflatens egenskaper endres ved å justere styrken på et magnetfelt som omgir overflaten.

Den nye studien ble nylig publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Nature og forsker Andreas Carlson fra Universitetet i Oslo har bidratt med den teoretiske forståelsen av de nye og «magiske» materialene.

Videoen viser hvordan overflaten på et materiale kan ha flere ulike funksjoner som styres ved å justere et magnetfelt. (Foto: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)

Videoen viser hvordan overflaten på et materiale kan ha flere ulike funksjoner som styres ved å justere et magnetfelt. (Foto: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)

Inspirert av naturen

– Vi som jobber med materialforskning, har lenge hatt en drøm om å lage overflater med minst mulig friksjon, og vi har blant annet latt oss inspirere av plantene i kannebærerslekten, forteller Carlson.

– Kannebærerne fanger insekter i en liten «kanne» med vegger som er så glatte at insektene ikke klarer å klatre ut igjen når de først er blitt fanget. Men nå har vi gjort noe som er enda smartere enn kannebærerne.

Forskerne har nemlig klart å lage materialer med en justerbar overflate hvor glattheten kan skrus av og på i definerte områder som kan ligge tett inntil hverandre.

Men det er ikke bare overflatens glatthet eller friksjon som kan varieres.

– Den justerbare overflaten kan også for eksempel brukes til å transportere små partikler eller til å flytte og blande væskestrømmer. Vi kan også lage bitte små hulrom hvor kjemiske reaksjoner kan kontrolleres på en veldig presis måte, forteller Carlson.

– Vi har vist hvordan vi kan bruke en væske som inneholder magnetiske partikler på en slik måte at det underliggende materialet får mange forskjellige egenskaper. Vi har rett og slett lagd et multifunksjonelt materiale med egenskaper som kan kontrolleres i tid og rom, tilføyer han.

Sugeevnen skrus av og på

Forskerne ved UiO og Harvard begynte med en drøm om å utvikle et materiale med variabel sugekraft eller adhesjon.

– Hvis du har en keramisk topp på komfyren, har du sikkert lagt merke til at det er tungt å løfte opp en kasserolle som har kokt over. Det er akkurat som om kasserollen er limt fast til komfyrtoppen, og det fenomenet kalles Stefan-adhesjon. Det er ganske lett å lage en tynn væskefilm som skaper adhesjon, men denne gangen har vi altså lagd en væske som gjør det mulig å skru adhesjonen av og på, utdyper Carlson.

Væsken er en fluorid-basert olje som er tilsatt bitte små magnetiske partikler. Denne væsken kan brukes til å dekke mange slags ulike materialer, men felles for alle materialer er at de har en overflate med det Carlson kaller en topografi: Uansett hvor glatt og jevn overflaten ser ut med det blotte øyet, vil et tilstrekkelig sterkt mikroskop avsløre at overflaten har ujevnheter på flere nivåer.

Da sier materialforskerne at overflaten har en hierarkisk struktur.

Kan styre overflatestrukturen

– Vi har brukt mikroteknologi til å lage en overflate med veldig fin struktur, og så har vi tilsatt en væske som i utgangspunktet liker materialet og binder seg til overflaten. Da blir det som finnes av mikroskopiske «bakkar og berg» på overflaten dekket av væsken, slik at overflaten blir veldig glatt. Men når vi skrur på et magnetfelt som påvirker de magnetiske partiklene, og dytter eller trekker på dem, oppstår det strømninger som gjør at overflatens egenskaper forandrer seg, forklarer Carlson.

– Tenk deg at magneten er på centimeterskala og suger til seg de magnetiske partiklene i et tilsvarende stort område. Da blir overflaten i de omkringliggende områdene tømt for væske, slik at mikrostrukturen kommer fram. Hvis vi bruker flere centimeterstore magneter, får vi dermed en overflate som på noen områder er tørr og har stor friksjon, mens andre områder er væskedekket og veldig glatt.

Den nye materialtypen kalles FLIPS, etter forkortelsen av den engelske betegnelsen på porøse overflater dekket med en væske som inneholder jernmagnetiske partikler: Ferrofluid-Containing Liquid-Infused Porous Surfaces.

Det underliggende materialet kan forandre egenskaper på både mikrometer-, millimeter- og centimeternivået, alt etter størrelsen på magnetene som brukes til å regulere egenskapene.

Kan brukes på sykehus

Andreas Carlson har latt seg inspirere av blant annet plantene i kannebærerslekten, men de nye FLIPS-materialene er mye smartere enn noe naturen har funnet på. (Foto: Bjarne Røsjø, UiO)
Andreas Carlson har latt seg inspirere av blant annet plantene i kannebærerslekten, men de nye FLIPS-materialene er mye smartere enn noe naturen har funnet på. (Foto: Bjarne Røsjø, UiO)

De nye FLIPS-materialene er allerede i ferd med å bli tatt i bruk på enkelte områder. Det går for eksempel an å lage veldig små pumper med liten friksjon, eller å styre strømmer av partikler og dråper som skal inngå i kjemiske reaksjoner.

– Slike materialer blir allerede brukt på overflaten av venekatetere som brukes til å gi legemidler intravenøst og skal sitte i en blodåre over lengre tid. En av utfordringene med slike katetere er at det blir dannet biofilm på overflaten, men med nye materialer er overflaten for glatt til at filmen kan feste seg, forteller Carlson.

Forskerne ser også for seg at FLIPS-materialer kan brukes til å lage bitte små pumper med veldig liten friksjon, eller små bokser hvor kjemiske stoffer bringes sammen for å reagere med hverandre. Dette har potensielt stor nytte innen både farmasi- og kjemifaget, antyder Carlson.

Referanse:

Wendong Wang, Jaakko m.fl: Multifunctional ferrofluid-infused surfaces with reconfigurable multiscale topography. Nature. 2018. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-018-0250-8