Le particelle microscopiche vengono persuase dagli ingegneri della Duke University ad assemblarsi in strutture cristalline più grandi mediante l'uso di concentrazioni variabili di particelle microscopiche e campi magnetici.

Queste strutture cristalline su nanoscala, che fino ad ora sono stati difficili e lunghi da produrre utilizzando le tecnologie attuali, possono essere utilizzati come componenti di base per ottiche avanzate, archiviazione dati e bioingegneria, ha detto il gruppo di ricerca.

"Non solo abbiamo sviluppato le basi teoriche per questa nuova tecnica, ma abbiamo dimostrato in laboratorio che potevamo creare più di 20 diverse strutture programmate, " ha detto Benjamin Yellen, assistente professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali presso la Duke's Pratt School of Engineering e membro principale del gruppo di ricerca. I risultati degli esperimenti Duke sono stati pubblicati online sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Nonostante la promessa di creare nuove classi di strutture artificiali, gli attuali metodi per creare queste minuscole strutture in modo affidabile ed economico rimane una sfida scoraggiante, " Yellen ha detto. "Questo nuovo approccio potrebbe aprire percorsi per la fabbricazione di materiali complessi che non possono essere prodotti con le tecniche attuali".

La ricerca è stata supportata dal Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, che è finanziato dalla National Science Foundation.

Il metodo tradizionale per creare cristalli artificiali è descritto come "top-down" da Yellen, il che significa che sono modellati mediante litografia o tecniche di stampaggio, e non può essere facilmente creato in tre dimensioni.

"Il nostro approccio è molto piu' dal basso verso l'alto, ' in quanto partiamo dal livello di un 'atomo' modello e ci facciamo strada verso l'alto, " ha detto Yellen.

Manipolando la magnetizzazione all'interno di una soluzione liquida, i ricercatori della Duke hanno persuaso particelle magnetiche e non magnetiche per formare intricate nanostrutture, come catene, anelli e reticoli.

Le nanostrutture si formano all'interno di un liquido noto come ferrofluido, che è una soluzione costituita da sospensioni di nanoparticelle composte da composti contenenti ferro. Una delle proprietà uniche di questi fluidi è che diventano altamente magnetizzati in presenza di campi magnetici esterni. Le particelle meno magnetiche del ferrofluido si comportano in modo simile alle cariche negative, mentre le particelle più magnetiche del ferrofluido agiscono come cariche positive. Le particelle opposte si attraggono così a formare strutture simili a cristalli di sale.

Poiché la magnetizzazione del fluido e le concentrazioni delle particelle controllano come le particelle vengono attratte o respinte l'una dall'altra, i ricercatori sono stati in grado di controllare le forme ei modelli di assemblaggio. "sintonizzando" opportunamente queste interazioni, le particelle magnetiche e non magnetiche si formano l'una intorno all'altra proprio come un fiocco di neve si forma attorno a una microscopica particella di polvere.

Secondo Yellen, i ricercatori sono da tempo in grado di creare minuscole strutture costituite da un unico tipo di particella, ma la dimostrazione di strutture sofisticate che si assemblano in soluzioni contenenti più tipi di particelle è stata difficile da ottenere. La struttura di queste nanostrutture determina come possono essere utilizzate in definitiva.

Yellen prevede l'utilizzo di queste nanostrutture in dispositivi ottici avanzati, come sensori, dove diverse nanostrutture potrebbero essere progettate per possedere proprietà ottiche personalizzate. Yellen prevede anche che gli anelli composti da particelle metalliche possano essere utilizzati per i progetti di antenne, e forse come uno dei componenti chiave nella costruzione di materiali che mostrano "magnetismo ottico" artificiale e permeabilità magnetica negativa.