Ученые Физического института имени П. Н. Лебедева РАН создали новый тип магнитного материала — химический магнит, чьи магнитные свойства меняются, если в нем протекает окислительно-восстановительная реакция. Это поможет создать новые нано- и микромоторы для прикладных задач, например, для целевой доставки лекарств с помощью нанороботов.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
«Мы провели серию экспериментов с биметаллической пластиной, плавающей на поверхности электролита, и показали, что если в такой системе протекает химическая реакция, то такой “пловец” работает как магнит»,— говорит первый автор статьи, ведущий научный сотрудник лаборатории активных коллоидных систем ФИАН, доктор наук Борис Кичатов.
Магнитные свойства металлов очень разнообразны. Наибольшей магнитной восприимчивостью обладают ферромагнетики. При комнатной температуре ферромагнитные свойства демонстрируют железо, кобальт и никель. Остальные металлы — парамагнитные или диамагнитные материалы. Если робот сделан из парамагнетика или диамагнетика, то в неоднородном магнитном поле на него будет действовать более слабая магнитная сила, чем в случае использования ферромагнитных металлов. Но можно ли повысить эффективную магнитную восприимчивость роботов, изготовленных из парамагнитных и диамагнитных металлов?
В последние годы ученые активно исследуют методы разработки нано- и микророботов, которые могут перемещаться в жидкостях, в частности внутри клеток и в кровеносных сосудах. Такие роботы могут иметь различную форму и приводиться в движение как внешними источниками энергии, так и использовать топливо, добываемое из окружающей среды.
Для приведения в движение плавающих нанороботов могут использоваться двигатели, основанные на разных физических эффектах. Это может быть, например, электрофорез, реактивная сила при газогенерации, воздействие электрических, магнитных, акустических полей или света. Использование магнитных полей — один из наиболее перспективных методов перемещения таких «пловцов».
Ученые ФИАН создали робота, части которого были изготовлены из парамагнитных или диамагнитных металлов с разными электрохимическими потенциалами, которые играли роль анода и катода. Затем робота помещали на поверхность жидкого электролита. Фактически подобный робот представлял собой плавающую батарейку.
В системе начиналась окислительно-восстановительная реакции, по корпусу робота двигались электроны, а в растворе электролита — ионы, возникала петля с током, и этот контур представлял собой элементарный магнит.
«В неоднородном магнитном поле на любую петлю с током действует магнитная сила, и на “пловца” при протекании химической реакции начинает действовать дополнительная магнитная сила — иными словами, можно сказать, что магнитная восприимчивость такого робота возрастает по сравнению с магнитной восприимчивостью металлов, из которых он был изначально изготовлен»,— рассказывает Борис Кичатов.
Далее ученые перемещали над «пловцом» постоянный магнит из неодима, железа и бора, создавая тем самым неоднородное магнитное поле. Так в процессе эксперимента они оценили максимальную высоту магнита над «пловцом», при которой он мог двигаться вместе с магнитом. Оказалось, что критическое расстояние, на котором действуют магнитные свойства «пловца», составляет 14 мм.
Чтобы доказать, что петля тока играет ключевую роль в возникновении химического магнетизма, ученые провели эксперимент с пластиной, полностью изготовленной из цинка. Они сравнивали ее движение в неоднородном магнитном поле, то есть под воздействием постоянного магнита, на поверхностях воды и раствора сульфата меди. Несмотря на то что между цинком и раствором сульфата меди шла реакция, на такого пловца не действовала дополнительная магнитная сила. Фактически химическая реакция не оказывала влияния на эффективную магнитную восприимчивость пловца, так как в этом случае не возникает петли тока.
«Когда магнитная восприимчивость робота была низкой, он просто не двигался за этим магнитом. Так мы доказали, что при протекании химических реакций магнитная восприимчивость материала может вырасти на порядок величины. Фактически мы в некоторой степени приблизили магнитные свойства парамагнитного металла к показателям ферромагнетиков. Конечно, такие преимущества не возникают в природе “бесплатно”. Дополнительный магнетизм обусловлен протеканием химических реакций, и, как только реакция прекращается, система приходит в состояние равновесия и химический магнетизм вырождается»,— говорит Борис Кичатов.
Ученые экспериментировали с разными парами металлов, тем самым изменяя разность потенциалов на электродах, и выяснили, что это приводит к изменению тока и, следовательно, магнитной восприимчивости. Например, индий, как и цинк, является диамагнитным металлом. Однако в электрохимическом ряду он расположен ближе к меди, чем к цинку. Благодаря этому максимальное расстояние между пловцом и магнитом, при котором пловец все еще движется вместе с магнитом, у робота на основе сплава In—Cu оказывается меньше, чем у Zn—Cu.
Кроме того, ученые установили, что магнитные свойства химического магнита можно регулировать за счет изменения концентрации сульфата меди в растворе и вариаций температуры. Влияние обоих факторов обусловлено их воздействием на скорость протекания химических реакций, от которой, в свою очередь, зависит ток, протекающий через плавающего робота.
В перспективе, полагают ученые, такие химические магниты можно будет использовать для производства микро- и наномоторов, которые могут под действием магнитного поля перемещаться по кровеносным сосудам и доставлять лекарство в нужное место, а также решать другие прикладные задачи. Если уменьшить таких роботов до наноразмера и диспергировать их в химически реагирующей жидкости, то в будущем можно создать суспензию, магнитные свойства которой возникают лишь при протекании в системе химических реакций. Такие магнитные жидкости могут служить основой для создания различных биосенсоров.
По материалам статьи «Motion of a Chemically Reactive Bimetal Motor in a Magnetic Field»; Boris Kichatov, Alexey Korshunov, Vladimir Sudakov, Alexandr Golubkov, Vladimir Gubernov, Alexey Kiverin; журнал Physical Chemistry Chemical Physics, сентябрь 2022 г.