Nella scienza dei materiali, le interazioni tra le forze dipolari dei magneti permanenti possono portare alla formazione di catene e anelli unidimensionali. In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , Leon Abelmann e un gruppo di ricerca in componenti elettronici, tecnologia e materiali presso la Saarland University, L'Università di Twente e l'Università di tecnologia di Delft in Germania e nei Paesi Bassi hanno studiato la possibilità di consentire ai dipoli di autoassemblarsi in strutture 3D incapsulandoli in un guscio di una forma specifica. Il team ha realizzato le condizioni per tale autoassemblaggio in un cristallo 3-D quando le energie di dipolo negli stati paralleli e antiparalleli erano uguali. Formavano le strutture più regolari usando cilindri e parallelepipedi, e la semplice regola di progettazione ha aiutato a formare cristalli 3D da oggetti nell'intervallo di micron, aprendo la strada alla progettazione di metamateriali finora sconosciuti.

La crescita dei cristalli è una versione dell'autoassemblaggio in cui i singoli oggetti possono essere organizzati in matrici regolari con un ampio impatto tecnico, che vanno dai singoli cristalli di silicio agli studi di diffrazione su proteine. Il processo di crescita dei cristalli inizia con la nucleazione, partendo da modelli ben definiti o da imperfezioni casuali, o spontaneamente nello spazio. Il team si è concentrato su quest'ultimo meccanismo di formazione in questo lavoro. La formazione di cristalli su macroscala (al di là di atomi e molecole) sta attualmente ricevendo maggiore attenzione a causa della sua promessa di formare metamateriali con nuove funzionalità. I ricercatori avevano precedentemente osservato una crescita complessa di cristalli da sfere di silice o polimeri, compresi i cristalli fotonici. Tali processi si basavano sull'evaporazione del solvente per portare i componenti l'uno nelle vicinanze dell'altro, assistito dal flusso di solvente, sebbene il processo possa anche essere guidato dalla sedimentazione, che porta a strutture ravvicinate.

In questo lavoro, Abelmann et al. studiato la possibilità di cristalli autoassemblanti sotto forze dipolari magnetiche permanenti. Il team ha condotto esperimenti con magneti permanenti di dimensioni millimetriche incorporati in un involucro polimerico di forme diverse. Hanno quindi immerso l'oggetto in acqua e controbilanciato le forze gravitazionali con un flusso d'acqua verso l'alto per mantenere gli oggetti nel campo visivo della telecamera. La turbolenza regolabile nel flusso ha creato forze di disturbo per fornire energia cinetica stocastica agli oggetti, simile al moto browniano. Le interazioni tra i dipoli sferici permanenti hanno portato alla formazione di catene, e otto dipoli potevano assemblarsi per formare un anello, in un meccanismo ben compreso. Le forze dipolari prima organizzarono le sfere in una linea, e con più di tre sfere il team ha osservato che il sistema raggiunge uno stato di energia inferiore per chiudere la linea in un anello. Hanno notato un notevole guadagno di energia nel caso di otto sfere, permettendo agli anelli di formarsi facilmente e rimanere intatti.

Abelmann et al. ha utilizzato la forma del guscio polimerico per modificare la distanza tra i dipoli per diversi orientamenti. Gli scienziati hanno allungato il guscio per aumentare la distanza tra i centri del dipolo per ottenere strutture simili a piastre 2-D. Se le energie tra gli stati parallelo e antiparallelo fossero uguali, i dipoli appena arrivati ​​si sono allineati in modo simile per formare strutture 3D. Il team ha dimostrato la strategia per formare otto sferoidi, cilindri e cuboidi e ha scelto una differenza di energia di 40 µJ per gli stati antiparallelo e parallelo per tutte le forme. Quando hanno invertito la differenza di energia tra gli stati parallelo e antiparallelo, in modo che lo stato antiparallelo ha dimostrato l'energia inferiore, hanno notato strutture in lastra chiara per cilindri e strutture irregolari per sferoidi. Però, quando entrambe le energie erano uguali, Abelmann et al. osservato i cilindri per formare cluster 3-D. Perciò, a condizione che non ci fosse preferenza per l'allineamento parallelo o antiparallelo, il setup sperimentale potrebbe autoassemblare strutture 3D basate su forze dipolari. Per di più, attacchi relativamente stabili degli assemblaggi cuboidi hanno portato alla chiusura del flusso magnetico che ha impedito un'ulteriore crescita, mentre gli sferoidi hanno formato complesse strutture a doppio anello simili a quelle previste nelle simulazioni precedenti.

Anche la struttura degli sferoidi rimase insieme per diversi minuti, molto più lungo di cilindri e cubi che si disintegravano in parti dopo pochi secondi. Ad esempio, durante gli esperimenti, la struttura ad anello delle sfere si è rotta per formare una catena ma poi si è ricollegata in un anello in meno di un minuto. Abelmann et al. attribuiva la maggiore stabilità delle strutture sferoidi alla loro capacità di disallinearsi senza aumentare immediatamente la loro distanza, diminuendo così la forza tra i magneti. Le strutture a catena si rompono più facilmente a causa di singoli legami rispetto a piastre o cristalli con legami multipli. Cilindri e cubi potevano anche assemblarsi per formare lunghe catene rigide che si staccavano a contatto frequente con le pareti del reattore.

Sulla base delle forme indagate nello studio, i cilindri sembravano più adatti ad autoassemblarsi in strutture 3D ben definite poiché ulteriori esperimenti hanno mostrato che gli sferoidi non si autoassemblano relativamente per formare cristalli regolari. Grappoli di cilindri e cuboidi potrebbero rompersi in grappoli più piccoli, quindi riallinearsi per formare cristalli più regolari. La disintegrazione di assiemi più grandi si è verificata più frequentemente a causa delle maggiori forze di taglio. L'effetto può anche essere amplificato dall'energia nel flusso turbolento, anche se non è noto se l'effetto fosse tipico dell'autoassemblaggio guidato da turbolenze o indotto da altri fattori sperimentali. Abelmann et al. intendono trovare risposte studiando ulteriormente il fenomeno modificando la dimensione assoluta degli oggetti.

In questo modo, Leon Abelmann e colleghi hanno dimostrato sperimentalmente la capacità delle strutture 3D di autoassemblarsi da forze dipolari, purché non vi fosse preferenza per l'allineamento parallelo o antiparallelo. Gli scienziati hanno raggiunto questo obiettivo bilanciando le forze dipolari tramite interazioni steriche indotte dalla forma specifica dell'oggetto. Hanno selezionato la forma cilindrica in quanto sembrava essere un buon compromesso per ottenere cristalli regolari. Gli esperimenti concordavano anche con le simulazioni di dinamica molecolare in cui le forme sferiche avevano maggiori probabilità di formare grandi ammassi rispetto ai cubi, mentre le interazioni dipolari disturbavano la formazione dei cristalli dei cubi.

I risultati incoraggiano gli esperimenti sull'autoassemblaggio dei cristalli su microscala utilizzando dipoli magnetici permanenti. In base ai risultati, gli scienziati dei materiali saranno in grado di immaginare interessanti metamateriali come antiferromagneti artificiali, materiali piezomagnetici e memorie magnetiche ad anello 3-D. La forza tra i dipoli non è cambiata rispetto alla dimensione dei dipoli, mentre la loro origine come dipoli magnetici o elettrici non ha avuto alcun effetto sperimentale, quindi Abelmann et al. intendono generalizzare i risultati sperimentali per l'assemblaggio 3-D su scala micron. I risultati porteranno alla formazione di cristalli fotonici, supermateriali, Elettronica 3D o memorie.

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