Необычное явление открыли два американских ученых в процессе тестирования программы, которая моделирует взаимодействия частиц в микроскопических масштабах.

Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) разработали способ управления суспендированными наночастицами. Очень простой подход, который требует всего лишь приложения к суспензии электрического поля, может найти применение в промышленности или медицине. Статья об этом опубликована в издании Physical Review Letters.

Работа исследователей основана на электрокинетической версии явления, известного как эффект Магнуса. Это феномен, который часто возникает при обтекании вращающегося тела потоком газа или жидкости: на тело начинает воздействовать сила, перпендикулярная движению потока. Эффект Магнуса работает в макроскопических масштабах, то есть на объектах, которые легко различимы невооруженным глазом. Явление, открытое специалистами MIT, возникает под действием электрического поля и дает возможность управлять микроскопическими частицами.

Открытие стало неожиданностью для его авторов — Захари Шермана и Джеймса Свона. Ученые обнаружили его, когда тестировали программное обеспечение для моделирования взаимодействий наночастиц. Поместив такие частицы в жидкий электролит, исследователи решили проверить, как их программа покажет ионную кластеризацию — явление, при котором ионы электролита группируются вокруг частиц наноматериала.

Поместив раствор в электрическое поле, Шерман и Свон ожидали, что наночастицы будут двигаться вдоль силовых линий этого поля: такое электрокинетическое явление называется электрофорезом.

«Но потом мы увидели эту забавную вещь, — говорит Шерман. — Если поле было достаточно сильным, то какое-то время шел нормальный электрофорез, но затем коллоидные частицы самопроизвольно начинали вращаться. <…> Это довольно странно, потому что вы прикладываете силу в одном направлении, а частицы начинают перемещаться ортогонально к ней».

Положительно (красный цвет) и отрицательно (синий цвет) заряженные ионы группируются вокруг наночастиц / © Z. Sherman & J. Swan, Physical Review Letters, 2020

Поскольку сила, возникающая в этом случае, направлена перпендикулярно линиям электрического поля, эффект можно использовать для создания движения частиц в микротрубках, разместив электроды вверху и внизу. В «классическом» электрофорезе частицы просто движутся в направлении электродов и в итоге оседают на них, а при способе, описанном выше, частицы будут непрерывно волнообразно двигаться по каналу.

Эффект, обнаруженный Своном и Шерманом, можно использовать для селективного разделения частиц, создания лекарств направленного действия или же для тонкого управления сложными химическими реакциями (например, для доставки катализатора в нужное место или вывода побочных продуктов синтеза). Также, по словам авторов исследования, эффект работает для широкого спектра размеров и материалов наночастиц.