Microscopische deeltjes worden door ingenieurs van Duke University overgehaald om zichzelf samen te voegen tot grotere kristallijne structuren door het gebruik van verschillende concentraties microscopisch kleine deeltjes en magnetische velden.

Deze kristalstructuren op nanoschaal, die tot nu toe moeilijk en tijdrovend waren om te produceren met behulp van de huidige technologieën, kunnen worden gebruikt als basiscomponenten voor geavanceerde optica, gegevensopslag en bio-engineering, aldus het onderzoeksteam.

"We hebben niet alleen de theoretische onderbouwing voor deze nieuwe techniek ontwikkeld, maar we hebben in het lab aangetoond dat we meer dan 20 verschillende geprogrammeerde structuren kunnen maken, " zei Benjamin Yellen, assistent-professor werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke's Pratt School of Engineering en hoofdlid van het onderzoeksteam. De resultaten van de Duke-experimenten zijn online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Ondanks de belofte van het creëren van nieuwe klassen van door de mens gemaakte structuren, huidige methoden om deze kleine structuren op een betrouwbare en kosteneffectieve manier te creëren, blijft een enorme uitdaging, "Zei Yellen. "Deze nieuwe benadering zou wegen kunnen openen voor het vervaardigen van complexe materialen die niet kunnen worden geproduceerd met de huidige technieken."

Het onderzoek werd ondersteund door het Research Triangle Materials Research Science and Engineering Center, die wordt gefinancierd door de National Science Foundation.

De traditionele methode voor het maken van kunstmatige kristallen wordt door Yellen beschreven als "top-down". wat betekent dat ze zijn gevormd door lithografie of vormtechnieken, en kan niet gemakkelijk in drie dimensies worden gemaakt.

"Onze aanpak is veel meer 'bottom up, ' in die zin dat we beginnen op het niveau van een model 'atoom' en ons omhoog werken, ' zei Yellen.

Door de magnetisatie in een vloeibare oplossing te manipuleren, de Duke-onderzoekers hebben magnetische en niet-magnetische deeltjes overgehaald om ingewikkelde nanostructuren te vormen, zoals kettingen, ringen en roosters.

De nanostructuren worden gevormd in een vloeistof die bekend staat als een ferrovloeistof, dat is een oplossing die bestaat uit suspensies van nanodeeltjes die zijn samengesteld uit ijzerhoudende verbindingen. Een van de unieke eigenschappen van deze vloeistoffen is dat ze sterk worden gemagnetiseerd in de aanwezigheid van externe magnetische velden. De deeltjes die minder magnetisch zijn dan de ferrovloeistof gedragen zich op dezelfde manier als negatieve ladingen, terwijl de deeltjes die meer magnetisch zijn dan de ferrovloeistof zich gedragen als positieve ladingen. De tegenovergestelde deeltjes trekken elkaar dus aan om structuren te vormen die lijken op zoutkristallen.

Aangezien de magnetisatie van de vloeistof en de concentraties van de deeltjes bepalen hoe de deeltjes door elkaar worden aangetrokken of afgestoten, de onderzoekers waren in staat om de vormen en patronen van assemblage te beheersen. Door deze interacties op de juiste manier te "afstemmen", de magnetische en niet-magnetische deeltjes vormen zich om elkaar heen, net zoals een sneeuwvlok zich rond een microscopisch stofdeeltje vormt.

Volgens Yellen, onderzoekers zijn al lang in staat om kleine structuren te maken die bestaan ​​uit een enkel deeltjestype, maar de demonstratie van geavanceerde structuren die samenkomen in oplossingen die meerdere soorten deeltjes bevatten, was moeilijk te bereiken. De structuur van deze nanostructuren bepaalt hoe ze uiteindelijk kunnen worden gebruikt.

Yellen voorziet het gebruik van deze nanostructuren in geavanceerde optische apparaten, zoals sensoren, waar verschillende nanostructuren kunnen worden ontworpen om op maat gemaakte optische eigenschappen te bezitten. Yellen voorziet ook dat ringen bestaande uit metaaldeeltjes kunnen worden gebruikt voor antenneontwerpen, en misschien als een van de belangrijkste componenten in de constructie van materialen die kunstmatig "optisch magnetisme" en negatieve magnetische permeabiliteit vertonen.