Inom materialvetenskap, interaktioner mellan dipolära krafter hos permanentmagneter kan leda till att endimensionella kedjor och ringar bildas. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Leon Abelmann och ett forskarteam inom elektroniska komponenter, teknik och material vid Saarlands universitet, University of Twente och Delft University of Technology i Tyskland och Nederländerna undersökte möjligheten att tillåta dipoler att självmontera till 3D-strukturer genom att kapsla in dem i ett skal av en specifik form. Teamet insåg förutsättningarna för sådan självmontering i en 3D-kristall när dipolenergierna i parallella och antiparallella tillstånd var lika. De bildade de mest regelbundna strukturerna med hjälp av cylindrar och kuber, och den enkla designregeln hjälpte till att bilda 3D-kristaller från objekt i mikronområdet, öppnar vägen för att konstruera hittills okända metamaterial.

Kristalltillväxt är en version av självmontering där enskilda objekt kan ordnas i vanliga arrayer med bred teknisk inverkan, allt från kiselenkristaller till diffraktionsstudier på proteiner. Processen för kristalltillväxt börjar med kärnbildning, börjar på väldefinierade mallar eller på slumpmässiga brister, eller spontant i rymden. Teamet fokuserade på den senare mekanismen för bildning i detta arbete. Bildandet av kristaller i makroskala (bortom atomer och molekyler) får för närvarande ökad uppmärksamhet på grund av dess löfte att bilda metamaterial med nya funktionaliteter. Forskare hade tidigare observerat intrikat kristalltillväxt från kiseldioxid eller polymersfärer inklusive fotoniska kristaller. Sådana processer förlitade sig på lösningsmedelsavdunstning för att föra in komponenter till varandras närhet, assisterad av lösningsmedelsflöde, även om processen också kan drivas av sedimentation – vilket leder till tätpackade strukturer.

I det här arbetet, Abelmann et al. studerat möjligheten att självmontera kristaller under permanenta magnetiska dipolära krafter. Teamet genomförde experiment med millimeterstora permanentmagneter inbäddade i ett polymerskal av olika former. De sänkte sedan föremålet i vatten och balanserade gravitationskrafterna med ett uppåtriktat vattenflöde för att hålla föremål i kamerans synfält. Den justerbara turbulensen i flödet skapade störande krafter för att ge stokastisk kinetisk energi till föremål, liknande Brownsk rörelse. Interaktioner mellan de permanenta sfäriska dipolerna resulterade i bildandet av kedjor, och åtta dipoler kunde samlas för att bilda en ring, i en välförstådd mekanism. De dipolära krafterna organiserade först sfärer i en linje, och med mer än tre sfärer observerade teamet att systemet nådde ett lägre energitillstånd för att stänga linjen till en ring. De noterade en betydande energivinst i fallet med åtta sfärer, så att ringarna kan formas lätt och förbli intakta.

Abelmann et al. använde formen på polymerskalet för att ändra avståndet mellan dipolerna för olika orienteringar. Forskarna förlängde skalet för att öka avståndet mellan dipolcentra för att få 2-D plattliknande strukturer. Om energierna mellan de parallella och antiparallella tillstånden var lika, de nyligen anlända dipolerna inriktade på liknande sätt för att bilda 3D-strukturer. Teamet visade strategin att bilda åtta sfäroider, cylindrar och kuber och valde en energiskillnad på 40 µJ för de antiparallella och parallella tillstånden för alla former. När de vände om energiskillnaden mellan parallella och antiparallella tillstånd, så att det antiparallella tillståndet visade den lägre energin, de noterade tydliga plåtstrukturer för cylindrar och oregelbundna strukturer för sfäroider. Dock, när båda energierna var lika, Abelmann et al. observerade att cylindrarna bildade 3D-kluster. Därför, förutsatt att det inte fanns någon preferens för parallell eller antiparallell inriktning, experimentuppställningen kunde självmontera 3D-strukturer baserade på dipolära krafter. Vidare, relativt stabila fästen av de kubiska enheterna ledde till magnetisk flödesstängning som förbjöd ytterligare tillväxt, medan sfäroider bildade komplexa dubbelringstrukturer som liknade de som förutspåtts i tidigare simuleringar.

Sfäroidernas struktur höll sig också ihop i flera minuter, mycket längre än cylindrar och kuber som sönderdelade i delar efter några sekunder. Till exempel, under experimenten, sfärernas ringstruktur bröts isär och bildade en kedja men kopplades sedan samman till en ring på mindre än en minut. Abelmann et al. krediterade den högre stabiliteten hos sfäroidstrukturer till deras förmåga att felinrikta sig utan att omedelbart öka deras avstånd – och därigenom minska kraften mellan magneterna. Kedjestrukturer bröts lättare på grund av enkelbindningar jämfört med plattor eller kristaller med flera bindningar. Cylindrar och kuber kunde också sättas ihop för att bilda långa stela kedjor som bröts av vid frekvent kontakt med reaktorväggarna.

Baserat på de former som undersöktes i studien, cylindrar verkade bäst lämpade för självmontering till väldefinierade 3-D-strukturer eftersom ytterligare experiment visade att sfäroider inte var jämförelsevis självmonterade för att bilda vanliga kristaller. Kluster av cylindrar och kuber kan bryta upp i mindre kluster och sedan anpassas till mer regelbundna kristaller. Desintegrering av större sammansättningar inträffade oftare på grund av ökade skjuvkrafter. Effekten kan också förstärkas av energin i det turbulenta flödet, även om det inte är känt om effekten var typisk för turbulent driven självmontering eller inducerad av andra experimentella faktorer. Abelmann et al. har för avsikt att hitta svar genom att studera fenomenet vidare genom att ändra den absoluta storleken på objekt.

På det här sättet, Leon Abelmann och kollegor demonstrerade experimentellt kapaciteten för 3D-strukturer att självmontera från dipolära krafter, förutsatt att det inte fanns någon preferens för parallell eller antiparallell inriktning. Forskarna uppnådde detta genom att balansera dipolära krafter via steriska interaktioner inducerade av objektets specifika form. De valde den cylindriska formen eftersom det verkade vara en bra kompromiss för att hjälpa till att uppnå vanliga kristaller. Experimenten stämde också överens med simuleringar av molekylär dynamik där sfäriska former var mer benägna att bilda stora kluster än kuber, medan dipolära interaktioner störde kristallbildningen av kuber.

Resultaten uppmuntrar experiment på självmontering av kristaller i mikroskala med hjälp av permanenta magnetiska dipoler. Baserat på resultaten, materialforskare kommer att kunna föreställa sig spännande metamaterial som konstgjorda antiferromagneter, piezomagnetiska material och 3-D magnetiska ringkärnminnen. Kraften mellan dipolerna förändrades inte i förhållande till storleken på dipolerna, medan deras ursprung som magnetiska eller elektriska dipoler inte hade någon experimentell effekt, därför Abelmann et al. avser att generalisera de experimentella resultaten för 3D-montering på mikronskala. Resultaten kommer att leda till bildandet av fotoniska kristaller, supermaterial, 3-D elektronik eller minnen.

© 2020 Science X Network