Gli scienziati dei materiali che lavorano con componenti di dimensioni nanometriche hanno sviluppato metodi per lavorare con i loro materiali incredibilmente piccoli. Ma cosa accadrebbe se potessi fare in modo che i tuoi componenti si assemblano da soli in strutture diverse senza maneggiarli affatto?

Verner Håkonsen lavora con cubi così piccoli che quasi cinque miliardi di essi potrebbero stare su una capocchia di spillo.

Prepara i cubetti nel NanoLab NTNU, in una fiaschetta di vetro dall'aspetto strano con tre colli in cima usando una miscela di prodotti chimici e sapone speciale.

E quando espone questi cubi invisibili a un campo magnetico, compiono un'impresa magica:si assemblano nella forma che desidera.

"È come costruire una casa, tranne che non devi costruirlo, ", dice. La forza magnetica insieme ad altre forze fa sì che "la casa si costruisca da sola:tutti i mattoni si assemblano perfettamente nelle giuste condizioni".

Sebbene i ricercatori siano stati in precedenza in grado di far assemblare le nanoparticelle in modi diversi, Håkonsen ei suoi colleghi sono i primi a mostrare quanto possa essere importante il magnetismo rispetto alle proprietà meccaniche di alcune strutture di nanoparticelle. I ricercatori hanno chiamato le loro minuscole creazioni di nanocubi sovrastrutture o supercristalli perché i nanocubi sono organizzati in uno schema ordinato, un po' come gli atomi in un cristallo. "I supercristalli sono particolarmente interessanti perché mostrano proprietà migliorate rispetto a una singola nanoparticella o a un materiale sfuso, "Ha detto Håkonsen.

La grande scoperta è che quando i cubi magnetici sono autoassemblati in quello che i ricercatori chiamano un supercristallo, in forme come linee, bastoncini o eliche, per esempio, l'energia di coesione tra le particelle nel supercristallo può aumentare fino al 45 percento a causa delle interazioni magnetiche tra i cubi.

"Ciò significa che l'energia che tiene insieme il tutto aumenta fino al 45 percento, " Egli ha detto.

La forza dei supercristalli in combinazione con le loro proprietà magnetiche potenziate sarà la chiave per lo sviluppo di usi futuri, che potrebbe abbracciare tutto, dalle applicazioni per l'industria automobilistica alla tecnologia dell'informazione. La ricerca di Håkonsen è stata appena pubblicata sulla rivista Materiali funzionali avanzati .

Quando le cose si fanno piccole, la fisica diventa strana

Un principio centrale della ricerca sulle nanoparticelle è che più piccole sono le particelle, lo straniero il loro comportamento.

Questo perché man mano che le dimensioni si riducono, l'area superficiale della particella rappresenta una percentuale molto maggiore del volume complessivo della struttura rispetto alle particelle che non sono di dimensioni nanometriche.

"Di conseguenza, più piccole sono le nanoparticelle, quanto più instabili possono essere, " Ha detto Håkonsen. Questo è ciò che è noto come "effetto dimensione" nella nanoscienza, ed è uno degli aspetti fondamentali della nanotecnologia in quanto le cose diventano più piccole di 100 nm.

"Puoi persino avere particelle che si spostano spontaneamente tra diverse strutture cristalline, a causa delle loro piccole dimensioni, " ha spiegato. "Le particelle si sciolgono in parte."

L'effetto dimensione influisce anche su altre proprietà delle piccole nanoparticelle, come proprietà magnetiche, dove il campo magnetico della particella può iniziare a saltare da solo in direzioni diverse.

Le dimensioni contano ancora

In altre parole, anche se il magnetismo potrebbe rendere forti le nanostrutture autoassemblate dei ricercatori, l'effetto delle dimensioni giocava ancora un ruolo. Quando i supercristalli erano piccolissimi, le strutture erano più deboli delle loro controparti più grandi.

"Ciò significa che hai un effetto di dimensione quando si tratta di stabilità meccanica anche nei supercristalli, un "effetto di super-dimensione", ma suggerisce anche che ci sono effetti di dimensione per altre proprietà dei supercristalli, " Ha detto Håkonsen. "Ciò che è anche notevole è che questo effetto super-dimensione va oltre la nanoscala, e verso la microscala."

Piuttosto che porre un problema, però, in questo caso, sapere che l'effetto delle dimensioni influenzerà i supercristalli potrebbe consentire ai ricercatori di controllare, o mettere a punto, il comportamento delle strutture attraverso una varietà di fattori diversi.

"Questo potrebbe aprire un nuovo campo, accordatura controllata dalle dimensioni, " Ha detto Håkonsen. "Potrebbe essere possibile controllare le caratteristiche dei supercristalli, non solo dal modo in cui sono fatte le particelle stesse, ma dalla forma e dalle dimensioni del supercristallo e dal numero di particelle in esso contenute."

Cubi di magnetite

La ricerca di Håkonsen presso l'NTNU Nanomechanical Lab si basa su nanocubi che lui stesso produce da magnetite, motivo per cui si autoassemblano in risposta a un campo magnetico.

Essenzialmente, crea una molecola che poi riscalda in un solvente contenente una sostanza simile al sapone chiamata tensioattivo. Il tensioattivo impedisce ai nanocubi di diventare troppo grandi e può anche controllare la forma della nanoparticella. In questo modo, Håkonsen e il suo team possono creare cubi e sfere, tra le altre forme.

I collaboratori di Håkonsen provengono da diverse discipline, compresi i fisici, scienziati meccanici e dei materiali ed esperti di calcolo, e provengono dall'Università di Sydney e UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) oltre a NTNU. I ricercatori hanno scelto di utilizzare i cubi per il loro studio perché c'è stata meno ricerca sui cubi rispetto alle sfere, e i cubi sono anche i più propensi a fornire la struttura più forte, Egli ha detto.

"Questa è una ricerca fondamentale. La nostra motivazione è stata quella di indagare su come il magnetismo influenzi le proprietà meccaniche nei supercristalli, " ha detto. "È importante perché abbiamo tutte queste potenziali applicazioni, ma per realizzarli, abbiamo anche bisogno di supercristalli meccanicamente stabili".

Håkonsen ha affermato che lui e i suoi collaboratori stanno continuando la loro ricerca per saperne di più su come il magnetismo può essere utilizzato per regolare le proprietà meccaniche dei supercristalli magnetici.