A volte è meglio lasciare che i magneti facciano tutto il lavoro.

Un team guidato dai professori di fisica della Cornell University, Itai Cohen e Paul McEuen, sta usando il potere di legame dei magneti per progettare sistemi autoassemblanti che potenzialmente possono essere creati su scala nanometrica.

La loro carta, "Materiali magnetici per la stretta di mano come piattaforma invariante di scala per l'autoassemblaggio programmato, " pubblicato il 21 novembre in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Per realizzare piccoli sistemi, come macchine in miniatura, gel e metamateriali, che essenzialmente si costruiscono da soli, i ricercatori si sono ispirati agli origami del DNA, in cui i filamenti di DNA su scala atomica possono essere piegati in strutture bi e tridimensionali attraverso un processo chiamato accoppiamento di basi complementari, dove nucleotidi specifici si legano tra loro:da A a T e da G a C.

Piuttosto che fare affidamento sui legami atomici, la squadra è stata attratta da un'altra forma di attrazione:il magnetismo. Qui, l'attrazione e la repulsione tra più magneti possono servire come una sorta di connessione intelligente, come una stretta di mano. Le interazioni magnetiche rendono anche forti, legami versatili che non sono facilmente interrotti dagli effetti termici. Con una vasta gamma di magneti in una varietà di orientamenti, sarebbero possibili migliaia di configurazioni diverse.

I ricercatori hanno testato la loro teoria del design realizzando pannelli acrilici di dimensioni centimetriche, ciascuno contenente quattro minuscoli magneti in un motivo quadrato. Questa disposizione ha permesso loro di creare quattro interazioni magnetiche uniche.

"Controllando lo schema dei dipoli magnetici su ciascun pannello, possiamo essenzialmente ottenere un vincolo con serratura e chiave, " ha detto Cohen. "E incollando questi pannelli su una striscia flessibile di mylar in sequenze progettate, abbiamo creato i nostri elementi costitutivi di base."

Per attivare l'autoassemblaggio, i fili separati sono stati sparsi su un tavolo shaker, con le vibrazioni del tavolo impedendo ai magneti di formare legami. Poiché l'ampiezza di scuotimento è diminuita, i magneti attaccati nel loro ordine designato e i fili formavano le strutture bersaglio.

L'ultimo goal, dice Cohen, è produrre versioni su nanoscala di questi sistemi, con unità autoassemblanti di appena un centinaio di nanometri di diametro, o un millesimo di capello umano di diametro.

"È una piattaforma piuttosto ampia con molte applicazioni molto interessanti e interessanti, " ha detto il ricercatore post-dottorato Ran Niu, l'autore principale del documento. "Puoi progettare molte strutture. Possiamo costruire attuatori otticamente attivi. Possiamo costruire macchine funzionali che possiamo controllare".

Il progetto ha recentemente ricevuto una sovvenzione di 1,1 milioni di dollari per la progettazione di materiali per rivoluzionare e ingegnerizzare il nostro futuro dalla National Science Foundation, che consentirà al team di esplorare ulteriormente le incarnazioni su scala nanometrica.

"La parte che mi interessa davvero è l'idea di come struttura e informazione interagiscono per creare macchine che cambiano forma, ", ha affermato il coautore senior McEuen, il John A. Newman Professor of Physical Science e direttore del Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science, dove Cohen è un investigatore senior. "Quindi RNA, Per esempio, è questa molecola incredibilmente sorprendente nei nostri corpi che contiene molte informazioni, ma ha anche tutti i tipi di funzioni interessanti. E quindi questo è una specie di analogo di quel sistema, dove possiamo iniziare a capire come mescoli informazioni e struttura per ottenere un comportamento complesso."

Sebbene le macchine su scala nanometrica e i sistemi autoassemblanti non siano nuovi, questo progetto segna la prima volta che i due concetti sono stati combinati con la codifica magnetica.

"La visione è che un giorno ti consegnerò semplicemente un disco magnetico, lo metti nel tuo disco rigido, scrive tutti i codici magnetici che hai disegnato, poi lo prendi e lo metti in un po' di acido per rilasciare i mattoni, " Ha detto Cohen. "Tutti i piccoli filamenti con i modelli magnetici che abbiamo codificato si unirebbero e si autoassemblano in una sorta di macchina che potremmo controllare utilizzando campi magnetici esterni".

"Questo lavoro apre il campo del design, " Ha aggiunto Cohen. "Ora stiamo offrendo alle persone interessate alla matematica della progettazione di materiali da zero un set di strumenti incredibilmente potente. Non c'è davvero fine alla creatività e al potenziale per creare progetti interessanti".

Le potenziali opportunità di apprendimento possono essere trovate nel gruppo di ricerca stesso. I coautori del documento includono Edward Esposito, un ex membro dello staff universitario che ha fatto da audizioni alla classe con lode di elettricità e magnetismo di Cohen ed è diventato un tecnico nel laboratorio di Cohen. Ora sta perseguendo un dottorato di ricerca. presso l'Università di Chicago. E il co-autore Jakin Ng è uno studente della Ithaca High School che ha iniziato a lavorare part-time nel laboratorio di Cohen attraverso il programma di educazione esperienziale per giovani Learning Web. La conoscenza di Ng dei modelli di origami ha aiutato i ricercatori a progettare alcune delle loro strutture.