Hurtigt roterende kugler viser nanoskala systemhemmeligheder

Drej en karusell hurtigt nok, og rytterne flyver af sted i alle retninger. Men de roterende partikler i et Rice University-laboratorium gør det modsatte.

Eksperimenter i Rice-laboratoriet af kemiingeniør Sibani Lisa Biswal viser kugler i mikronstørrelse, der samles under påvirkning af et hurtigt roterende magnetfelt. Det er ingen overraskelse, fordi partiklerne selv er magnetiserede.

Men hvordan de kommer sammen er af interesse, da partiklerne først samles i en uorganiseret aggregeret klynge og derefter i et krystallignende regime, efterhånden som det magnetiske felt bliver stærkere.

Resultaterne af arbejdet ledet af Biswal og kandidatstuderende Elaa Hilou vises i Physical Review Materials. Forskerne håber, at det vil inspirere til måder at se på, modellere og skabe nye todimensionelle materialer som tunbare katalysatorer eller kolloider, der kan ændre deres overfladeareal efter behov.

Eksperimenter afslørede grænser, former, faseovergange og skabelse og opløsning af krystallignende defekter på mellem 300 og 1, 500 magnetiserede kugler fulgte deres energetiske impulser under det bevægelige felts indflydelse.

"Jeg har præsenteret dette som en miniaturiseret version af en fidget spinner, hvor vi bruger magnetfeltet til at generere en isotrop interaktion omkring partiklerne, " sagde Biswal. "Vi kan skabe partikelensembler, der er løst til meget tæt pakket af styrken af ​​den interaktion."

Det interesserede Biswal og Hilou, men ikke så meget som det, de så ske rundt om kanterne, hvor linjespændingen dannet af de yderste partikler bestemte den ultimative form af arrays.

"Tænk på en sæbeboble, " sagde Biswal. "Det danner altid en kugle, selv når du forsøger at deformere den. Det er fordi overfladespænding ønsker at minimere dens overfladeareal. Det er det samme for vores system, men i to dimensioner. Interaktionerne forsøger altid at minimere det, vi kalder linjespændingen.

"Elaa finder Gibbs grænsefladen og måler energien ved den grænseflade, hvor den går fra mange partikler tykke (ved lave magnetfeltstyrker) til næsten en enkelt partikel tyk ved at ændre styrken af ​​interaktionen, " sagde hun. "Hun har lavet en masse analyser af linjespændingen og hvordan den relaterer til systemets energi."

Det næste skridt er at skabe fysiske, bevægelige modeller for rigtige systemer for at se, hvordan bestanddelene reagerer, når de forstyrres. "Der er stor interesse for at forsøge at skabe modeller for atomare og molekylære systemer, " sagde Biswal. "Det meste af det er blevet gjort gennem beregningssimuleringer, men her har vi et eksperimentelt system, der kan realisere struktur og processer som f.eks. koalescens."

"For eksempel, i katalyse, hvis du ønsker at øge overfladearealet, du ønsker flere tomrum for at lette kontakten mellem en katalysator og en reaktion, " sagde Hilou. "Ved at øge koncentrationen og kontrollere feltet, vi kan begynde at se tomrum og kontrollere grænsefladen i forhold til bulk."

Teknikken kunne modellere emulsioner, hun sagde. "Sig, at du har olie og vand, og du vil faseadskille dem, " sagde Hilou. "I tilfældet med kosmetik og fødevareindustrien, du ønsker, at emulsionerne skal være stabile. Vi ønsker at være i stand til at efterligne deres dynamik ved at kontrollere partikelstørrelsen og feltstyrken."

Biswal sagde, at teknikken også kan bruges til at modellere systemer, hvor temperatur, snarere end elektromagnetisme, er chaufføren. På områder som metallurgi, defekter fjernes "ved at skrue op for temperaturen for at give molekyler mere frihed til at flytte korngrænser og hulrum, " sagde hun. "Så sænker de temperaturen for at låse strukturerne fast.

"Det, vi har, er en urskive, der ikke kun efterligner virkningerne af temperatur med et magnetfelt, men som også giver mulighed for at se gennem et mikroskop, hvad der sker i et faktisk system, " sagde Biswal.

Risuddannet alumnus Di Du, nu en forskningsstatistisk analytiker ved University of Texas MD Anderson Cancer Center, og kandidatstuderende Steve Kuei er medforfattere til papiret. National Science Foundation støttede forskningen.