Впервые учёные показали, что магнитное поле Земли непосредственно влияет на движение жидкостей, что приводит к созданию новых наночастиц и материалов с уникальными свойствами. Исследование проведено командой учёных из Университета Флиндерс под руководством профессора Колина Растона, специалиста по чистым технологиям из Института нанонаук и технологий Флиндерса. Результаты опубликованы в журнале Small в статье «Формирование хиральных лемнискат в магнитно управляемых топологических потоках жидкости».
К исследованию присоединились учёные из США, Великобритании и Китая. Экспериментальные данные были собраны в пяти точках планеты, как в северном, так и в южном полушарии. В ходе экспериментов было показано, что под воздействием магнитного поля планеты и вращения устройства для потоков жидкостей наноматериалы формируют структуры с определенной хиральностью — левовращающие или правовращающие, в зависимости от направления вращения (по часовой стрелке или против).
Ключевая научная находка: сочетание потоков жидкости с магнитными полями приводит к предпочтению одной хиральности (левой или правой спирали) в формирующихся материалах. Таким образом, даже слабое магнитное поле Земли может задавать направление для образования наноструктур.
Значимость магнитного поля Земли выходит далеко за пределы поддержки жизни и ориентации птиц при миграции. Впервые открываются возможности применения этого явления в материаловедении и химии, где ориентация магнитного поля может управлять свойствами синтезируемых веществ.
В центре исследований — вихревая жидкостная установка (Vortex Fluidic Device, VFD), изобретённая профессором Колином Растоном около 15 лет назад, примерно в 2009 году. VFD позволяет создавать высокоскоростные потоки жидкости в быстро вращающейся трубке, формируя двойные спиральные потоки, схожие с тайфуном. Благодаря этой технологии открылись новые подходы в фармацевтике, производстве наночастиц, промышленной обработке, натуральной косметике и очистке воды, а также появилась возможность экономить энергию и минимизировать использование токсичных реагентов.
Одно из самых известных достижений VFD — «разваривание яйца», то есть разделение связанных белков, что принесло исследователям мировую шутливую премию Игнобеля (Ig Nobel Prize) в 2015 году. Среди других примеров применения устройства — расщепление прочнейших связей в углеродных нанотрубках, извлечение ДНК, быстрая диагностика заболеваний по биомаркерам, разделение несмешивающихся жидкостей и очистка воды от нефти без химикатов.
Новое исследование показывает, что изменение направления и скорости потока воды в VFD относительно магнитного поля Земли приводит к неожиданным результатам: можно получать материалы с разной хиральностью и оптимизировать процесс синтеза, исследуя трёхмерное пространство для приложенных магнитных полей. Это открывает перспективы в создании новых квантовых устройств, где важна манипуляция фотонами и электронами.
Экологический эффект также существенен: упрощается производство наноматериалов и уменьшается потребность в опасных растворителях. Благодаря управлению параметрами VFD возможно создание новых метаматериалов и хиральных молекул, востребованных в квантовых технологиях и современной химии.
Полученные научные данные не только расширяют фундаментальные представления о взаимодействии магнитных полей и потоков жидкостей, но и закладывают основу для экологически чистых и энергоэффективных методов получения материалов будущего.
Изображение носит иллюстративный характер
К исследованию присоединились учёные из США, Великобритании и Китая. Экспериментальные данные были собраны в пяти точках планеты, как в северном, так и в южном полушарии. В ходе экспериментов было показано, что под воздействием магнитного поля планеты и вращения устройства для потоков жидкостей наноматериалы формируют структуры с определенной хиральностью — левовращающие или правовращающие, в зависимости от направления вращения (по часовой стрелке или против).
Ключевая научная находка: сочетание потоков жидкости с магнитными полями приводит к предпочтению одной хиральности (левой или правой спирали) в формирующихся материалах. Таким образом, даже слабое магнитное поле Земли может задавать направление для образования наноструктур.
Значимость магнитного поля Земли выходит далеко за пределы поддержки жизни и ориентации птиц при миграции. Впервые открываются возможности применения этого явления в материаловедении и химии, где ориентация магнитного поля может управлять свойствами синтезируемых веществ.
В центре исследований — вихревая жидкостная установка (Vortex Fluidic Device, VFD), изобретённая профессором Колином Растоном около 15 лет назад, примерно в 2009 году. VFD позволяет создавать высокоскоростные потоки жидкости в быстро вращающейся трубке, формируя двойные спиральные потоки, схожие с тайфуном. Благодаря этой технологии открылись новые подходы в фармацевтике, производстве наночастиц, промышленной обработке, натуральной косметике и очистке воды, а также появилась возможность экономить энергию и минимизировать использование токсичных реагентов.
Одно из самых известных достижений VFD — «разваривание яйца», то есть разделение связанных белков, что принесло исследователям мировую шутливую премию Игнобеля (Ig Nobel Prize) в 2015 году. Среди других примеров применения устройства — расщепление прочнейших связей в углеродных нанотрубках, извлечение ДНК, быстрая диагностика заболеваний по биомаркерам, разделение несмешивающихся жидкостей и очистка воды от нефти без химикатов.
Новое исследование показывает, что изменение направления и скорости потока воды в VFD относительно магнитного поля Земли приводит к неожиданным результатам: можно получать материалы с разной хиральностью и оптимизировать процесс синтеза, исследуя трёхмерное пространство для приложенных магнитных полей. Это открывает перспективы в создании новых квантовых устройств, где важна манипуляция фотонами и электронами.
Экологический эффект также существенен: упрощается производство наноматериалов и уменьшается потребность в опасных растворителях. Благодаря управлению параметрами VFD возможно создание новых метаматериалов и хиральных молекул, востребованных в квантовых технологиях и современной химии.
Полученные научные данные не только расширяют фундаментальные представления о взаимодействии магнитных полей и потоков жидкостей, но и закладывают основу для экологически чистых и энергоэффективных методов получения материалов будущего.