Artikkel

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

Andreas Carlson med de magiske dråpene som gjør at overflater kan endre egenskaper
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 Bruk bildet.

Ny type materialer har overflate med justerbare egenskaper

UiO-forskeren Andreas Carlson og kolleger ved Harvard-universitet i USA 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.

En internasjonal forskergruppe med bidrag fra UiO har 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 bittesmå magnetiske partikler, på en slik måte at overflatens egenskaper endres ved å justere styrken på et magnetfelt som omgir overflaten.

Multifunksjonelle materialer og nanoteknologi er et hett område innen internasjonal forskning for tiden, og artikkelen som beskriver den justerbare overflaten ble nylig publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Natures hovedjournal. Førsteamanuensis Andreas Carlson ved Matematisk institutt har blant annet gitt viktige bidrag til 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

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 (Nepenthes). 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, forteller Carlson.

Andreas Carlson har utviklet den "magiske" oljen i nært samarbeid med forskere ved Harvard University.
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. Bruk bildet.

Andreas Carlson og de andre forskerne bak Nature-artikkelen 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 bittesmå hulrom hvor kjemiske reaksjoner kan kontrolleres på en veldig presis måte, forteller Carlson.

– Det største bidraget bak artikkelen i Nature er at 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.

Hermer etter naturen

Det er mer enn seks års forskning som ligger bak den nye materialteknologien. Andreas Carlson tok sin doktorgrad i fluid-dynamikk ved Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm i 2012 og reiste deretter til Harvard University i USA. Der innledet han et samarbeid med professor Joanna Aizenberg, som er en leder innen feltet og har publisert mer enn 90 vitenskapelige artikler innen fagområdet biomimetikk. Carlson fortsatte samarbeidet med Aizenbergs forskergruppe etter at han kom til UiO i 2015.

– Biomimetikk handler om å bli inspirert av biologiske prosesser og funksjonaliteter. Ideen er slett ikke ny; du kan si at den mytologiske Ikaros-skikkelsen var en tidlig biomimetiker fordi han bygde vinger som var inspirert av fuglenes vinger, forteller Carlson.

Sugeevnen skrus av og på

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

– 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 som er beskrevet i Nature-artikkelen er en fluorid-basert olje som er tilsatt bittesmå 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.

Er du interessert i forskningsnyheter om realfag og teknologi? Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

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.

Biomedisinske anvendelser

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 (ofte kalt venflon etter tidligere handelsnavn), 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 bittesmå 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.

Multifunksjonelle materialer

Andreas Carlsons spesialfelt er væskedynamikk (også kalt fluid-dynamikk), og hans bidrag har i hovedsak gått ut på å utvikle den teoretiske forståelsen av den underliggende fysikken.

– Jeg har for eksempel jobbet med å beregne hva som skjer hvis vi endrer væskens viskositet og hvor sterkt magnetfeltet må være for å få de effektene vi er ute etter, forklarer han.

– Man kan tenke seg mange anvendelser for et materiale med veldig glatt overflate?

– Ja, men det er også noen begrensninger her. Når disse materialene er i kontakt med andre væsker, dråper og partikler, mister de små volumer av væsken som gjør materialet glatt. Over tid vil væsken forsvinne, og materialet mister da sine ”magiske” egenskaper. Hvordan vi kan sørge for at strukturene beholder tilstrekkelig med væske, er et aktivt forskningstema i dag. 

Artikkelen i Nature er resultatet av et omfattende, tverrfaglig samarbeid mellom kjemikere, fysikere, fluid-dynamikere, materialforskere, matematikere og marinbiologer ved Harvard-universitetet, Universitetet i Oslo, Aalto-universitetet i Espoo og Max Planck-instituttet i Stuttgart.

Kontakt:

Førsteamanuensis Andreas Carlson, Matematisk institutt

Den vitenskapelige artikkelen:

Wendong Wang, Jaakko V. I. Timonen, Andreas Carlson, Dirk-Michael Drotlef, Cathy T. Zhang, Stefan Kolle, Alison Grinthal, Tak-Sing Wong, Benjamin Hatton, Sung Hoon Kang, Stephen Kennedy, Joshua Chi, Robert Thomas Blough, Metin Sitti, L. Mahadevan & Joanna Aizenberg: Multifunctional ferrofluid-infused surfaces with reconfigurable multiscale topography. Nature volume 559, pages77–82 (2018).

Les mer på Titan.uio.no:

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Storjoen er  en høyarktisk art som forsvarer sitt reirområde hvis du kommer for nær.

Urovekkende mye miljøgifter i storjo

Storjoer som hekker i Nord-Atlanteren inneholder store mengder miljøgifter, og de hardest rammede fuglene kan inneholde nesten 200 ganger mer enn andre individer. Forskerne har nå funnet forklaringen.

Hver hoppekreps vokste opp i sitt eget lille kammer i laboratoriet.

Faren for å bli spist forsterker virkningen av miljøgift

Forskere ved UiO har, som de første i verden, vist at en naturlig stressfaktor (faren for å bli spist) kan forsterke effekten av en miljøgift i et marint miljø. Forskerne hadde egentlig ventet at de to faktorene ville motvirke hverandre.