Tredimensionel selvsamling ved hjælp af dipolær interaktion

I materialevidenskab, interaktioner mellem dipolære kræfter af permanente magneter kan føre til dannelse af endimensionelle kæder og ringe. I en ny rapport om Videnskabens fremskridt , Leon Abelmann og et forskerhold i elektroniske komponenter, teknologi og materialer ved Saarlands Universitet, University of Twente og Delft University of Technology i Tyskland og Holland undersøgte muligheden for at tillade dipoler at samle sig selv i 3-D strukturer ved at indkapsle dem i en skal af en bestemt form. Holdet indså betingelserne for en sådan selvsamling i en 3-D krystal, når dipolenergierne i parallelle og antiparallelle tilstande var lige store. De dannede de mest regelmæssige strukturer ved hjælp af cylindre og kuboider, og den enkle designregel hjalp med at danne 3-D krystaller fra objekter i mikronområdet, åbner vejen for at konstruere hidtil ukendte metamaterialer.

Krystalvækst er en version af selvmontering, hvor individuelle objekter kan arrangeres i regulære arrays med bred teknisk effekt, lige fra silicium -enkeltkrystaller til diffraktionsstudier på proteiner. Processen med krystalvækst begynder med kernedannelse, starter på veldefinerede skabeloner eller på tilfældige ufuldkommenheder, eller spontant i rummet. Holdet fokuserede på sidstnævnte dannelsesmekanisme i dette arbejde. Dannelsen af ​​krystaller på makroskalaen (ud over atomer og molekyler) får i øjeblikket øget opmærksomhed på grund af dets løfte om at danne metamaterialer med nye funktionaliteter. Forskere havde tidligere observeret indviklet krystalvækst fra silica eller polymerkugler, herunder fotoniske krystaller. Sådanne processer var afhængige af opløsningsmiddelfordampning for at bringe komponenter ind i hinandens nærhed, assisteret af opløsningsmiddelstrøm, selvom processen også kan være drevet af sedimentation - hvilket fører til tætpakkede strukturer.

I dette arbejde, Abelmann et al. undersøgte muligheden for selvsamlende krystaller under permanente magnetiske dipolære kræfter. Teamet gennemførte eksperimenter med millimeterstørrelse permanente magneter indlejret i en polymerskal af forskellige former. De nedsænkede derefter objektet i vand og modbalancerede tyngdekræfterne med en vandstrøm opad for at fastholde objekter i kameraets synsfelt. Den justerbare turbulens i flowet skabte forstyrrende kræfter til at levere stokastisk kinetisk energi til objekter, ligner Brownsk bevægelse. Interaktioner mellem de permanente sfæriske dipoler resulterede i dannelsen af ​​kæder, og otte dipoler kunne samles til en ring, i en velforstået mekanisme. De dipolære kræfter organiserede først sfærer i en linje, og med mere end tre sfærer observerede holdet, at systemet nåede en lavere energitilstand for at lukke linjen ind i en ring. De bemærkede en betydelig energiforøgelse i tilfælde af otte sfærer, så ringene nemt kan dannes og forblive intakte.

Abelmann et al. brugt formen på polymerskallen til at ændre afstanden mellem dipoler til forskellige orienteringer. Forskerne forlængede skallen for at øge afstanden mellem dipolcentre for at opnå 2-D pladelignende strukturer. Hvis energierne mellem de parallelle og anti-parallelle tilstande var ens, de nyligt ankomne dipoler justeret på samme måde for at danne 3-D strukturer. Holdet demonstrerede strategien til at danne otte sfæroider, cylindre og cuboids og valgte en energiforskel på 40 µJ for de antiparallelle og parallelle tilstande for alle former. Når de vendte energiforskellen mellem de parallelle og antiparallelle tilstande, så den antiparallelle tilstand viste den lavere energi, de bemærkede klare pladestrukturer for cylindre og uregelmæssige strukturer for sfæroider. Imidlertid, når begge energier var lige store, Abelmann et al. observerede cylindrene for at danne 3D-klynger. Derfor, forudsat at der ikke var nogen præference for parallel eller antiparallel justering, den eksperimentelle opsætning kunne selvsamle 3-D strukturer baseret på dipolære kræfter. Desuden, relativt stabile fastgørelser af kubiske samlinger førte til magnetisk flux lukning, der forhindrede yderligere vækst, mens sfæroider dannede komplekse dobbeltringstrukturer, der lignede dem, der var forudsagt i tidligere simuleringer.

Sfæroidernes struktur forblev også sammen i flere minutter, meget længere end cylindre og terninger, der gik i stykker efter få sekunder. For eksempel, under forsøgene, ringstrukturen af ​​kugler brød fra hinanden og dannede en kæde, men blev derefter forbundet igen til en ring på mindre end et minut. Abelmann et al. krediteret den højere stabilitet af sfæroide strukturer til deres evne til at justere forkert uden umiddelbart at øge deres afstand - og derved mindske kraften mellem magneterne. Kædestrukturer knækkede lettere på grund af enkeltbindinger sammenlignet med plader eller krystaller med flere bindinger. Cylindre og terninger kunne også samles for at danne lange stive kæder, der brækkede af ved hyppig kontakt med reaktorvæggene.

Baseret på de former, der blev undersøgt i undersøgelsen, cylindre så ud til at være bedst egnede til selv at samle til veldefinerede 3-D strukturer, da yderligere eksperimenter viste, at sfæroider ikke relativt selv samles til at danne regulære krystaller. Klynger af cylindre og kuboider kunne bryde ind i mindre klynger og derefter tilpasse sig for at danne mere regelmæssige krystaller. Nedbrydning af større samlinger forekom hyppigere på grund af øgede forskydningskræfter. Effekten kan også forstærkes af energien i det turbulente flow, selvom det ikke vides, om effekten var typisk for turbulent drevet selvsamling eller induceret af andre eksperimentelle faktorer. Abelmann et al. har til hensigt at finde svar ved at studere fænomenet yderligere ved at ændre den absolutte størrelse af objekter.

På denne måde Leon Abelmann og kolleger demonstrerede eksperimentelt evnen til 3D-strukturer til selvsamling fra dipolære kræfter, forudsat at der ikke var nogen præference for parallel eller antiparallel justering. Forskerne opnåede dette ved at afbalancere dipolære kræfter via steriske interaktioner forårsaget af objektets specifikke form. De valgte den cylindriske form, da den så ud til at være et godt kompromis for at hjælpe med at opnå regelmæssige krystaller. Eksperimenterne stemte også overens med simuleringer af molekylær dynamik, hvor sfæriske former var mere tilbøjelige til at danne store klynger end terninger, mens dipolære interaktioner forstyrrede krystaldannelsen af ​​terninger.

Resultaterne tilskynder til eksperimenter med krystalselvsamling i mikroskala ved hjælp af permanente magnetiske dipoler. Baseret på resultaterne, materialeforskere vil være i stand til at forestille sig spændende metamaterialer såsom kunstige antiferromagneter, piezomagnetiske materialer og 3-D magnetiske ringkernehukommelser. Kraften mellem dipolerne ændrede sig ikke i forhold til størrelsen af ​​dipolerne, mens deres oprindelse som magnetiske eller elektriske dipoler ikke havde nogen eksperimentel effekt, derfor Abelmann et al. agter at generalisere de eksperimentelle resultater for 3-D-samling i mikronskalaen. Resultaterne vil føre til dannelsen af ​​fotoniske krystaller, supermaterialer, 3-D elektronik eller hukommelser.

© 2020 Science X Network