Ibland är det bäst att låta magneterna göra allt.

Ett team ledd av fysikprofessorerna Itai Cohen och Paul McEuen från Cornell University använder magneternas bindande kraft för att designa självmonterande system som potentiellt kan skapas i nanoskala.

Deras papper, "Magnetiska handskakningsmaterial som en skalinvariant plattform för programmerad självmontering, " publicerad 21 november in Förfaranden från National Academy of Sciences .

För att göra små system - till exempel miniatyrmaskiner, geler och metamaterial – som i huvudsak bygger sig själva, forskarna hämtade inspiration från DNA-origami, där DNA-strängar i atomär skala kan vikas till två- och tredimensionella strukturer genom en process som kallas komplementär basparning, där specifika nukleotider binder till varandra:A till T och G till C.

Istället för att förlita sig på atombindningar, laget drogs till en annan form av attraktion:magnetik. Här, attraktionen och avstötningen mellan flera magneter kan fungera som en slags intelligent anslutning, som ett handslag. Magnetiska interaktioner skapar också starka, mångsidiga bindningar som inte lätt störs av termiska effekter. Med ett tillräckligt stort urval av magneter i en mängd olika orienteringar, tusentals olika konfigurationer skulle vara möjliga.

Forskarna testade sin designteori genom att göra centimeterstora akrylpaneler, var och en innehåller fyra små magneter i ett fyrkantigt mönster. Detta arrangemang tillät dem att göra fyra unika magnetiska interaktioner.

"Genom att kontrollera mönstret av magnetiska dipoler på varje panel, vi kan i princip få lås-och-nyckel-bindning, ", sa Cohen. "Och genom att limma dessa paneler på en flexibel mylarremsa i designade sekvenser, vi skapade våra grundläggande byggstenar."

För att aktivera självmonteringen, de separata trådarna var utspridda på ett shakerbord, med bordets vibrationer som hindrar magneterna från att bilda bindningar. När skakamplituden minskade, magneterna fästa i deras angivna ordning och strängarna bildade målstrukturerna.

Det ultimata målet, säger Cohen, är att producera nanoskala versioner av dessa system, med självmonterande enheter som bara är hundra nanometer i diameter, eller en tusendels människohår i diameter.

"Det är en ganska bred plattform med många applikationer som är väldigt spännande och intressanta, "sa postdoktor Ran Niu, tidningens huvudförfattare. "Man kan designa många strukturer. Vi kan bygga optiskt aktiva ställdon. Vi kan bygga funktionella maskiner som vi kan styra."

Projektet tilldelades nyligen ett anslag på 1,1 miljoner dollar för att designa material för att revolutionera och utveckla vår framtid från National Science Foundation, vilket kommer att göra det möjligt för teamet att ytterligare utforska inkarnationer i nanoskala.

"Den del som verkligen intresserar mig är tanken på hur struktur och information interagerar för att skapa formförändrande maskiner, " sa senior medförfattare McEuen, John A. Newman professor i fysikalisk vetenskap och chef för Kavli-institutet vid Cornell for Nanoscale Science, där Cohen är senior utredare. "Så RNA, till exempel, är denna otroligt fantastiska molekyl i våra kroppar som har mycket information i sig, men har också alla möjliga intressanta funktioner. Och så det här är typ en analog av det systemet, där vi kan börja förstå hur du blandar information och struktur för att få komplext beteende."

Även om maskiner i nanoskala och självmonterande system inte är nya, detta projekt är första gången de två begreppen har kombinerats med magnetisk kodning.

"Visionen är att jag en dag helt enkelt kommer att ge dig en magnetskiva, du sätter in den på din hårddisk, den skriver alla magnetiska koder som du designat, sedan tar du det och lägger i lite syra för att släppa byggstenarna, "Sa Cohen." Alla de små trådarna med de magnetiska mönstren som vi kodade skulle samlas och självmonteras till någon sorts maskin som vi kunde styra med hjälp av externa magnetfält. "

"Detta arbete öppnar upp designområdet, " Cohen tillade. "Vi ger nu människor som är intresserade av matematiken för att designa material från grunden en verktygsuppsättning som är otroligt kraftfull. Det finns verkligen inget slut på kreativiteten och potentialen för intressant design att komma ur det."

De potentiella lärandemöjligheterna finns i själva forskargruppen. Tidningens medförfattare inkluderar Edward Esposito, en före detta universitetsanställd som granskade Cohens utmärkelseklass för elektricitet och magnetism och blev tekniker i Cohens labb. Han bedriver nu en doktorsexamen. vid University of Chicago. Och medförfattaren Jakin Ng är en Ithaca High School-elev som började arbeta deltid i Cohens labb genom Learning Web Youth Experience Education-programmet. Ngs kunskap om origamimönster hjälpte forskarna att utforma några av deras strukturer.