研究发现电场可以抛出曲线球

麻省理工学院的研究人员发现了一种现象，可以利用它来控制悬浮在水中的微小颗粒的运动。这种仅需要施加外部电场的方法，最终可能会导致执行某些需要分离微小悬浮物的工业或医学过程的新方法。

这些发现是基于该现象的电动形式，这种形式赋予曲线球其曲线，即马格努斯效应。Zachary Sherman博士'19，现为德克萨斯大学奥斯汀分校的博士后，麻省理工学院化学工程教授詹姆斯•斯旺(James Swan)在本周发表在《物理评论快报》上的一篇论文中描述了这种新现象。

马格努斯效应使旋转的物体在垂直于其运动的方向上被拉动，就像在曲线球中一样。它基于空气动力，并在宏观尺度上(即在容易看到的物体上)运行，而不是在较小的粒子上运行。由电场感应的新现象可以将粒子推进到纳米级，使粒子沿受控方向移动，而没有任何接触或移动部件。

当谢尔曼(Sherman)正在测试一些新的模拟软件来研究他正在发展的微小纳米级粒子在磁场和电场中的相互作用时，这一发现令人惊讶。他正在研究的测试案例涉及将带电粒子放在电解液体中，该液体是带有离子或带电原子或分子的液体。

他说，众所周知，将仅几十到几百纳米的带电粒子放在这种液体中时，它们会悬浮在其中而不是沉降，形成胶体。离子然后聚集在粒子周围。新软件成功地模拟了该离子簇。接下来，他模拟了整个材料上的电场。可以预期这会导致一个称为电泳的过程，该过程将沿施加电场的方向推动粒子。再次，该软件正确模拟了该过程。

然后，谢尔曼决定进一步推动它，并逐渐增加电场强度。他说：“但是后来我们看到了这个有趣的事情。”“如果电场足够强，您将可以进行少量的常规电泳，但是胶体将自发开始旋转。”这就是马格努斯效应的发源地。

他说，不仅粒子在模拟过程中沿旋转方向旋转，而且“这两个运动耦合在一起，旋转的粒子将偏离其路径”。“这很奇怪，因为您在一个方向上施加了力，然后物体沿与指定方向正交的直角方向移动。”他说，这直接类似于旋转球在空气动力学方面发生的情况。“如果你在棒球上投掷弯曲球，它会朝着你投掷的方向前进，但随后也会逐渐偏离。所以这是众所周知的宏观马格努斯效应的微观形式。”

当施加的电场足够强时，带电粒子将在垂直于电场的方向上发生强烈运动。他说，这可能很有用，因为在电泳中“粒子向电极之一移动，您遇到了这个问题，粒子将移动，然后粒子将进入电极，然后它将停止移动。所以您仅靠电泳不能真正产生连续的运动。”

取而代之的是，由于这种新效应与施加的电场成直角，因此可以简单地通过在顶部和底部放置电极来将其沿微通道推进，例如。他说，这样一来，粒子将“沿着通道移动，并且永远不会撞到电极上”。他说，这使其成为“实际上是引导微观粒子运动的更有效方法”。

他说，有两种方法可以使这种能力派上用场。一种是使用颗粒将某种“货物”运送到特定位置。他说，例如，该颗粒可能会附着在治疗药物上，“您正试图将其运送到需要该药物的目标部位，但您无法直接将其运送到那里。”或者该粒子可能包含某种化学反应物或催化剂，需要将其导向特定的通道以进行所需的反应。

另一个示例与此过程相反：拾取某种目标材料并将其放回原处。例如，产生产物的化学反应也可能产生许多不需要的副产物。他说：“因此，您需要一种将产品推出的方法。”这些颗粒可用于捕获产物，然后使用外加电场提取。他说：“通过这种方式，它们就像吸尘器一样。”“他们拿起你想要的东西，然后可以将它们移到其他地方，然后将产品发布到更容易收集的地方。”

他说，这种效应应适用于各种粒径和颗粒材料，研究小组将继续研究不同的材料特性如何影响这种效应的旋转速度或平移速度。基本现象应实际上适用于悬浮颗粒和液体的材料的任何组合，只要二者在称为介电常数的电特性方面彼此不同即可。

研究人员研究了具有很高介电常数的材料，例如悬浮在低导电性的电解质(例如水或油)中的金属颗粒。谢尔曼说：“但是，使用介电常数具有对比度的任何两种材料，您也可能会看到这种现象，例如，两种不会混合并形成悬浮液滴的油。”

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