Superstærke magnetiske superkrystaller kan samle sig selv

Materialeforskere, der arbejder med komponenter i nanostørrelse, har udviklet måder at arbejde med deres forsvindende små materialer. Men hvad nu hvis du kunne få dine komponenter til at samle sig selv i forskellige strukturer uden egentlig at håndtere dem overhovedet?

Verner Håkonsen arbejder med kuber så små, at næsten fem milliarder af dem kunne passe på et knappenålshoved.

Han koger terningerne i NTNU NanoLab, i en underligt udseende glaskolbe med tre halse på toppen ved hjælp af en blanding af kemikalier og speciel sæbe.

Og når han udsætter disse usynlige terninger for et magnetfelt, de udfører en magisk bedrift:de samler sig selv i den form, han ønsker.

"Det er som at bygge et hus, bortset fra at du ikke behøver at bygge det, " siger han. Den magnetiske kraft sammen med andre kræfter får "huset til at bygge sig selv - alle byggestenene samler sig perfekt under de rigtige forhold."

Selvom forskere tidligere har været i stand til at få nanopartikler til at samle sig på forskellige måder, Håkonsen og hans kolleger er de første til at vise, hvor vigtig magnetisme kan være i forhold til de mekaniske egenskaber af visse nanopartikelstrukturer. Forskerne kaldte deres små nanokube-kreationer superstrukturer eller superkrystaller, fordi nanokuberne er organiseret i et ordnet mønster, lidt ligesom atomer i en krystal. "Superkrystaller er særligt interessante, fordi de viser forbedrede egenskaber sammenlignet med en enkelt nanopartikel eller med et bulkmateriale, ”Sagde Håkonsen.

Det store fund er, at når magnetiske terninger selvsamles i det, forskerne kalder en superkrystal-i former som linjer eller stænger eller spiraler, for eksempel - den sammenhængende energi mellem partiklerne i superkrystallen kan stige med så meget 45 procent på grund af de magnetiske vekselvirkninger mellem kuberne.

"Det betyder, at energien til at holde det hele sammen stiger med op til 45 procent, " han sagde.

Styrken af ​​superkrystallerne i kombination med deres forbedrede magnetiske egenskaber vil være nøglen til udvikling af fremtidige anvendelser, som kunne spænde over alt fra applikationer til bilindustrien til informationsteknologi. Håkonsens forskning er netop publiceret i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer .

Når tingene bliver små, fysik bliver mærkelig

Et centralt princip i nanopartikelforskningen er, at jo mindre partiklerne er, den fremmede deres adfærd.

Det er fordi, når størrelsen skrumper, overfladearealet af partiklen repræsenterer en meget større procentdel af strukturens samlede volumen end i partikler, der ikke er i nanostørrelse.

"Som resultat, jo mindre nanopartiklerne er, jo mere ustabile kan de være, " sagde Håkonsen. Dette er det, der er kendt som "størrelseseffekten" i nanovidenskab, og er et af de grundlæggende aspekter af nanoteknologi, da tingene bliver mindre end 100 nm.

"Du kan endda have partikler, der spontant skifter mellem forskellige krystalstrukturer, på grund af deres lille størrelse, " forklarede han. "Partiklerne smelter delvist."

Størrelseseffekten påvirker også andre egenskaber i små nanopartikler, som magnetiske egenskaber, hvor magnetfeltet fra partiklen kan begynde at hoppe rundt af sig selv i forskellige retninger.

Størrelsen har stadig betydning

Med andre ord, selvom magnetisme kunne gøre forskernes selvsamlede nanostrukturer stærke, størrelseseffekten spillede stadig en rolle. Da superkrystallerne var super små, strukturerne var svagere end deres større modstykker.

"Det betyder, at du har en størrelseseffekt, når det kommer til mekanisk stabilitet også i superkrystaller - en "superstørrelseseffekt" - men det antyder også, at der er størrelseseffekter for andre superkrystallegenskaber, "Håkonsen sagde. "Det, der også er bemærkelsesværdigt, er, at denne super-størrelse effekt går ud over nanoskalaen, og op mod mikroskalaen."

I stedet for at skabe et problem, imidlertid, i dette tilfælde at vide, at størrelseseffekten vil påvirke superkrystallerne, kan give forskere mulighed for at kontrollere - eller justere - hvordan strukturerne opfører sig gennem en række forskellige faktorer.

"Dette kunne åbne et nyt felt, størrelsesstyret tuning, " sagde Håkonsen. "Det kunne være muligt at kontrollere funktionerne i superkrystaller, ikke kun af hvordan partiklerne selv er lavet, men af ​​formen og størrelsen af ​​superkrystallen og antallet af partikler i den."

Magnetit terninger

Håkonsens forskning ved NTNU Nanomechanical Lab bygger på nanokuber, som han selv fremstiller af magnetit, derfor samler de sig selv som reaktion på et magnetfelt.

I det væsentlige, han laver et molekyle, som han derefter opvarmer i et opløsningsmiddel, der indeholder et sæbeagtigt stof kaldet et overfladeaktivt stof. Det overfladeaktive middel forhindrer nanokuberne i at blive for store og kan også styre nanopartiklernes form. På denne måde Håkonsen og hans team kan lave kuber og kugler, blandt andre former.

Håkonsens samarbejdspartnere er hentet fra tværs af discipliner, inklusive fysikere, mekaniske og materialeforskere og beregningseksperter, og kommer fra University of Sydney og UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) ud over NTNU. Forskerne valgte at bruge terninger til deres undersøgelse, fordi der har været mindre forskning i terninger end kugler, og terninger er også de mest tilbøjelige til at give den stærkeste struktur, han sagde.

"Dette er grundlæggende forskning. Vores motivation har været at undersøge, hvordan magnetisme påvirker mekaniske egenskaber i superkrystaller, " sagde han. "Det er vigtigt, fordi vi har alle disse potentielle applikationer, men at realisere dem, vi har også brug for mekanisk stabile superkrystaller."

Håkonsen sagde, at han og hans samarbejdspartnere fortsætter deres forskning for at lære mere om, hvordan magnetisme kan bruges til at tune de mekaniske egenskaber i magnetiske superkrystaller.