Materialvetare som arbetar med komponenter i nanostorlek har utvecklat sätt att arbeta med sina försvinnande små material. Men tänk om du kunde få dina komponenter att montera sig själva i olika strukturer utan att faktiskt hantera dem alls?

Verner Håkonsen arbetar med kuber som är så små att nästan fem miljarder av dem får plats på ett knappnålshuvud.

Han lagar kuberna i NTNU NanoLab, i en konstigt utseende glasflaska med tre halsar på toppen med en blandning av kemikalier och speciell tvål.

Och när han exponerar dessa osynliga kuber för ett magnetfält, de utför en magisk bedrift:de sätter ihop sig i vilken form han vill.

"Det är som att bygga ett hus, förutom att du inte behöver bygga den, " säger han. Den magnetiska kraften tillsammans med andra krafter gör att "huset bygger sig självt - alla byggstenar monteras perfekt under de rätta förhållandena."

Även om forskare tidigare har kunnat få nanopartiklar att sätta ihop sig på olika sätt, Håkonsen och hans kollegor är de första som visar hur viktig magnetism kan vara med avseende på de mekaniska egenskaperna hos vissa nanopartikelstrukturer. Forskarna kallade sina små nanokubskapelser superstrukturer eller superkristaller eftersom nanokuberna är organiserade i ett ordnat mönster, ungefär som atomer i en kristall. "Superkristaller är särskilt intressanta eftersom de visar förbättrade egenskaper jämfört med en enda nanopartikel eller med ett bulkmaterial, sa Håkonsen.

Den stora upptäckten är att när magnetiska kuber är självmonterade i vad forskarna kallar en superkristall - i former som linjer eller stavar eller helixar, till exempel – den kohesiva energin mellan partiklarna i superkristallen kan öka med så mycket 45 procent på grund av de magnetiska interaktionerna mellan kuberna.

"Det betyder att energin som håller ihop det hela ökar med upp till 45 procent, " han sa.

Styrkan hos superkristallerna i kombination med deras förbättrade magnetiska egenskaper kommer att vara nyckeln till att utveckla framtida användningsområden, som skulle kunna sträcka sig över allt från applikationer för fordonsindustrin till informationsteknologi. Håkonsens forskning har precis publicerats i tidskriften Avancerade funktionella material .

När saker och ting blir små, fysik blir konstig

En central grundsats för nanopartikelforskning är att ju mindre partiklarna är, främlingen deras beteende.

Det beror på att när storleken krymper, partikelns yta representerar en mycket större andel av strukturens totala volym än i partiklar som inte är nanostora.

"Som ett resultat, ju mindre nanopartiklarna är, desto mer instabila kan de vara, " sa Håkonsen. Det här är vad som kallas "storlekseffekten" inom nanovetenskap, och är en av de grundläggande aspekterna av nanoteknik eftersom saker och ting blir mindre än 100 nm.

"Du kan till och med ha partiklar som spontant skiftar mellan olika kristallstrukturer, på grund av deras ringa storlek, " förklarade han. "Partiklarna smälter delvis."

Storlekseffekten påverkar även andra egenskaper hos små nanopartiklar, som magnetiska egenskaper, där magnetfältet från partikeln kan börja hoppa runt av sig självt i olika riktningar.

Storleken spelar fortfarande roll

Med andra ord, även om magnetism kan göra forskarnas egenmonterade nanostrukturer starka, storlekseffekten spelade fortfarande roll. När superkristallerna var supersmå, strukturerna var svagare än sina större motsvarigheter.

"Vad det betyder är att du har en storlekseffekt när det gäller mekanisk stabilitet även i superkristaller - en "super-size effekt" - men det tyder också på att det finns storlekseffekter för andra superkristallegenskaper, "Håkonsen sa. "Det som också är anmärkningsvärt är att denna superstora effekt går utöver nanoskalan, och upp mot mikroskalan."

Istället för att skapa ett problem, dock, i det här fallet kan att veta att storlekseffekten kommer att påverka superkristallerna göra det möjligt för forskare att kontrollera – eller ställa in – hur strukturerna beter sig genom en mängd olika faktorer.

"Det här kan öppna upp ett nytt fält, storlekskontrollerad inställning, ", sa Håkonsen. "Det skulle kunna vara möjligt att kontrollera egenskaperna hos superkristaller, inte bara genom hur partiklarna själva tillverkas, men av formen och storleken på superkristallen och antalet partiklar i den."

Magnetitkuber

Håkonsens forskning vid NTNU Nanomechanical Lab bygger på nanokuber som han själv tillverkar av magnetit, vilket är anledningen till att de självmonterar sig som svar på ett magnetfält.

Väsentligen, han gör en molekyl som han sedan värmer upp i ett lösningsmedel som innehåller ett tvålliknande ämne som kallas ett ytaktivt ämne. Det ytaktiva medlet förhindrar att nanokuberna blir för stora och kan även styra nanopartikelns form. På det här sättet, Håkonsen och hans team kan göra kuber och sfärer, bland andra former.

Håkonsens medarbetare kommer från olika discipliner, inklusive fysiker, mekaniska och materialvetare och beräkningsexperter, och kommer från University of Sydney och UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) förutom NTNU. Forskarna valde att använda kuber för sin studie eftersom det har gjorts mindre forskning om kuber än sfärer, och kuber är också de mest sannolika för att ge den starkaste strukturen, han sa.

"Detta är grundläggande forskning. Vår motivation har varit att undersöka hur magnetism påverkar mekaniska egenskaper i superkristaller, " sa han. "Det är viktigt eftersom vi har alla dessa potentiella tillämpningar, men för att inse dem, vi behöver också mekaniskt stabila superkristaller."

Håkonsen sa att han och hans medarbetare fortsätter sin forskning för att lära sig mer om hur magnetism kan användas för att justera de mekaniska egenskaperna i magnetiska superkristaller.