Mikroskopiska partiklar lockas av Duke Universitys ingenjörer att montera sig själva till större kristallina strukturer genom att använda olika koncentrationer av mikroskopiska partiklar och magnetfält.

Dessa nanoskaliga kristallstrukturer, som hittills har varit svåra och tidskrävande att producera med hjälp av dagens teknik, kan användas som grundläggande komponenter för avancerad optik, datalagring och bioteknik, sa forskargruppen.

"Vi utvecklade inte bara den teoretiska grunden för denna nya teknik, men vi visade i labbet att vi kunde skapa mer än 20 olika programmerade strukturer, sa Benjamin Yellen, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke's Pratt School of Engineering och ledande medlem av forskargruppen. Resultaten av Duke-experimenten publicerades online i tidskriften Naturkommunikation .

"Trots löftet om att skapa nya klasser av konstgjorda strukturer, nuvarande metoder för att skapa dessa små strukturer på ett tillförlitligt och kostnadseffektivt sätt är fortfarande en skrämmande utmaning, "Yellen sa. "Detta nya tillvägagångssätt kan öppna vägar för att tillverka komplexa material som inte kan produceras med nuvarande tekniker."

Forskningen stöddes av Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, som finansieras av National Science Foundation.

Den traditionella metoden för att skapa konstgjorda kristaller beskrivs som "top-down" av Yellen, vilket innebär att de är utformade med litografi eller formningstekniker, och kan inte enkelt skapas i tre dimensioner.

"Vårt tillvägagångssätt är mycket mer "nedifrån och upp, ' genom att vi börjar på nivån av en modell "atom" och arbetar oss uppåt, sa Yellen.

Genom att manipulera magnetiseringen i en flytande lösning, Duke-forskarna coaxerade magnetiska och icke-magnetiska partiklar för att bilda invecklade nanostrukturer, som kedjor, ringar och galler.

Nanostrukturerna bildas inuti en vätska som kallas ferrofluid, som är en lösning som består av suspensioner av nanopartiklar sammansatta av järnhaltiga föreningar. En av de unika egenskaperna hos dessa vätskor är att de blir starkt magnetiserade i närvaro av externa magnetfält. De partiklar som är mindre magnetiska än ferrovätskan beter sig på samma sätt som negativa laddningar, medan partiklarna som är mer magnetiska än ferrofluiden fungerar som positiva laddningar. De motsatta partiklarna attraherar således varandra för att bilda strukturer som liknar saltkristaller.

Eftersom magnetiseringen av vätskan och koncentrationerna av partiklarna styr hur partiklarna attraheras till eller stöts bort av varandra, forskarna kunde kontrollera formerna och mönstren för montering. Genom att "justera" dessa interaktioner på lämpligt sätt, de magnetiska och icke-magnetiska partiklarna bildas runt varandra ungefär som en snöflinga bildas runt en mikroskopisk dammpartikel.

Enligt Yellen, forskare har länge kunnat skapa små strukturer som består av en enda partikeltyp, men demonstrationen av sofistikerade strukturer som monteras i lösningar som innehåller flera typer av partiklar har varit svår att uppnå. Strukturen på dessa nanostrukturer avgör hur de i slutändan kan användas.

Yellen förutser användningen av dessa nanostrukturer i avancerade optiska enheter, såsom sensorer, där olika nanostrukturer kunde designas för att ha skräddarsydda optiska egenskaper. Yellen föreställer sig också att ringar som består av metallpartiklar kan användas för antennkonstruktioner, och kanske som en av nyckelkomponenterna i konstruktionen av material som visar artificiell "optisk magnetism" och negativ magnetisk permeabilitet.