Trinvis magnetisk selvsamling af mikropillar-arrays med lang rækkefølge

Magnetisk responsive mikroteksturerede overflader har den fordel, at de kan fjernstyres (dvs. ingen kontakt er påkrævet) ved omgivende forhold og korte responstider. Tidligere blev synkroniserede bøjnings- eller vridningsaktiveringer af mikropillararrays demonstreret ved at programmere arrangementet af de magnetiske partikler og ved at anvende anisotrop mikropillargeometri. I dette tilfælde er magnetiske partikler inkluderet i en polymermatrix i lave koncentrationer for at undgå magnetisk interferens og derved opnå synkroniseret aktivering. Forskere fra Inha University (Jeong Eun Park og Jeong Jae (JJ) Wie), Air Force Research Laboratory (Augustine Urbas og Zahyun Ku) og Lawrence Livermore National Laboratory (Sei Jin Park) rapporterede for nylig om en modsat strategi til at inducere magnetisk selvsamling af mikropillar-arrays. Højkoncentrerede magnetiske mikrosøjler fungerer som mikromagneter og samles sammen med nabosøjler under et påført magnetfelt. Til let aktivering anvendes fleksibel gummi til søjle-base, mens relativt stive og magnetisk responsive søjle-toppe gennemgår den magnetiske samling. Da søjle-basen er magnetisk inert og fikseret til substratet, kan selvsamling af periodisk arrangerede mikrosøjler gentage reversibel og reproducerbar samling og gendannelse ved at modulere det eksterne magnetfelt.

Når et magnetfelt påføres parallelt med den lange akse af rektangulære mikropillararrays, dannes magnetiske dipoler (nemlig N- og S-poler) i mikropillerne. Efterhånden som den magnetiske fluxtæthed stiger, samles to tilstødende dipolære mikrosøjler parvis gennem quadrupolar tiltrækning. I mellemtiden er parrene samlet med et af de andre par (dvs. quad-body), hvor den lange akse af rektangulære mikrosøjler er placeret for at forskyde 45 grader i forhold til magnetfeltets akse. Magnetisk vridningsdeformation af mikropillerne genereres også, da mikromagnetlignende mikrosøjler ønsker at være parallelle med søjlernes lange akse og påførte magnetfelt. Efterfølgende, under kontinuerligt øget magnetisk fluxtæthed, samles quad-bodies med andre quad-bodies, mens de gennemgår yderligere vridningsbevægelser. Som et resultat opnås der en meget bindende langrækkende orden ved søjletoppene med en vridningsgrad på ~40 grader. Ydermere påviste forskerne, at de magnetisk samlede mikrosøjler kan fryses på plads, selv efter at magnetfeltet er fjernet ved at behandle dem med et vandopløseligt bindemiddel.

Derudover blev effekten af ​​magnetiske søjle-geometrier på den minimale magnetiske fluxtæthed, der kræves for at starte samlingen, undersøgt ved at sammenligne samlingerne af firkantede og cirkulære mikrosøjler, som har identiske mellemrum mellem søjlerne og bredder fastgjort til 30 µm. Lavere tærskelværdi for magnetisk fluxtæthed blev registreret for strukturers cirkulære tværsnit end dem med kvadratiske tværsnit på grund af deres lavere areal-inertimoment. Tærskelmagnetiske fluxtætheder var også lavere for strukturer med højere aspektforhold. De lavere tærskler blev observeret for begge samlinger af to enkeltstrukturer i et par såvel som samlingen af ​​parrede strukturer for at opnå lang rækkevidde tilslutning.

Følgende er funktionelle demonstrationer for at understrege den brede effekt og makroskopiske udvidelsesmuligheder i form-rekonfigurerbare mikroteksturerede overflader med trinvis magnetisk selvsamling. Først præsenterer forskerne magnetisk skiftede synlige/usynlige bogstavmønstre ved at lokalisere to kontrasterende områder i bogstav- og baggrundsdelen. Mens mikrosøjlerne i bogstavdelen er sammenkoblet, samles mikropillerne i baggrundsområdet ikke, selvom den magnetiske fluxtæthed stiger op til 0,6 T. Bogstavet observeres tydeligt lige efter magnetfeltet påføres på grund af kontrastforskelle, hvilket forsvinder straks, når magnetfeltet fjernes, da søjlerne vender tilbage til den oprindelige tilstand. For det andet viste forskerne også, at den makroskopiske væske spredes i to retninger (x - og y -akser), der er afkoblet fra hinanden. Væskedråben er til at begynde med fastgjort på hydrofobe mikropillar-arrays, men under et magnetfelt er den parvise (//x ) og forbindende (//y ) samling reducerer afstanden mellem søjlerne, så dråben kan stifte og sprede sig.

Denne hidtil usete mekanisme for trinvis mikroskopisk selvsamling vil give indsigt i magnetisk form-rekonfiguration af aktuatorer og bløde robotsystemer, og den makroskopiske demonstration af overfladeændringen kan potentielt gavne en bred vifte af applikationer i fremtiden. + Udforsk yderligere

Team udvikler nyt overfladedesign inspireret af slangeskind