Materiaalwetenschappers die met componenten van nanoformaat werken, hebben manieren ontwikkeld om met hun verdwijnend kleine materialen te werken. Maar wat als u ervoor zou kunnen zorgen dat uw componenten zichzelf in verschillende structuren assembleren zonder ze daadwerkelijk te hanteren?

Verner Håkonsen werkt met kubussen die zo klein zijn dat er bijna vijf miljard op een speldenknop passen.

Hij kookt de blokjes in het NTNU NanoLab, in een raar uitziende glazen fles met drie halzen aan de bovenkant met een mengsel van chemicaliën en speciale zeep.

En wanneer hij deze onzichtbare kubussen blootstelt aan een magnetisch veld, ze leveren een magische prestatie:ze assembleren zichzelf in elke gewenste vorm.

"Het is alsof je een huis bouwt, behalve dat je het niet hoeft te bouwen, "zegt hij. De magnetische kracht zorgt er samen met andere krachten voor dat "het huis zichzelf bouwt - alle bouwstenen assembleren zichzelf perfect onder de juiste omstandigheden."

Hoewel onderzoekers er eerder in slaagden nanodeeltjes op verschillende manieren te laten assembleren, Håkonsen en zijn collega's zijn de eersten die laten zien hoe belangrijk magnetisme kan zijn met betrekking tot de mechanische eigenschappen van bepaalde nanodeeltjesstructuren. De onderzoekers noemden hun minuscule nanokubuscreaties superstructuren of superkristallen omdat de nanokubussen in een geordend patroon zijn georganiseerd, een beetje zoals atomen in een kristal. "Superkristallen zijn bijzonder interessant omdat ze verbeterde eigenschappen vertonen in vergelijking met een enkel nanodeeltje of met een bulkmateriaal, ' zei Håkonsen.

De grote bevinding is dat wanneer magnetische kubussen zelf worden geassembleerd in wat de onderzoekers een superkristal noemen - in vormen zoals lijnen of staven of helices, bijvoorbeeld - de cohesie-energie tussen de deeltjes in het superkristal kan met maar liefst 45 procent toenemen vanwege de magnetische interacties tussen de kubussen.

"Dat betekent dat de energie die het geheel bij elkaar houdt tot 45 procent toeneemt, " hij zei.

De sterkte van de superkristallen in combinatie met hun verbeterde magnetische eigenschappen zal de sleutel zijn voor de ontwikkeling van toekomstige toepassingen, die alles kan omvatten, van toepassingen voor de auto-industrie tot informatietechnologie. Het onderzoek van Håkonsen is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

Als dingen klein worden, natuurkunde wordt raar

Een centraal uitgangspunt van nanodeeltjesonderzoek is dat hoe kleiner de deeltjes, de vreemdeling hun gedrag.

Dat komt omdat naarmate de maat kleiner wordt, het oppervlak van het deeltje vertegenwoordigt een veel groter percentage van het totale volume van de structuur dan in deeltjes die geen nanogrootte hebben.

"Als resultaat, hoe kleiner de nanodeeltjes zijn, hoe onstabieler ze kunnen zijn, " zei Håkonsen. Dit is wat bekend staat als het "grootte-effect" in de nanowetenschap, en is een van de fundamentele aspecten van nanotechnologie, aangezien dingen kleiner worden dan 100 nm.

"Je kunt zelfs deeltjes hebben die spontaan verschuiven tussen verschillende kristalstructuren, vanwege hun kleine formaat, "legde hij uit. "De deeltjes smelten gedeeltelijk."

Het grootte-effect beïnvloedt ook andere eigenschappen in kleine nanodeeltjes, zoals magnetische eigenschappen, waar het magnetische veld van het deeltje uit zichzelf in verschillende richtingen kan beginnen te springen.

Grootte doet er nog steeds toe

Met andere woorden, hoewel magnetisme de zelf-geassembleerde nanostructuren van de onderzoekers sterk zou kunnen maken, het grootte-effect speelde nog steeds een rol. Toen de superkristallen nog superklein waren, de structuren waren zwakker dan hun grotere tegenhangers.

"Wat dat betekent, is dat je een grootte-effect hebt als het gaat om mechanische stabiliteit, ook in superkristallen - een "supergrootte-effect" - maar het suggereert ook dat er grootte-effecten zijn voor andere superkristaleigenschappen, "Zei Håkonsen. "Wat ook opmerkelijk is, is dat dit supergrote effect verder gaat dan de nanoschaal, en omhoog naar de microschaal."

In plaats van een probleem te stellen, echter, in dit geval zou de wetenschap dat het grootte-effect de superkristallen zal beïnvloeden, onderzoekers in staat kunnen stellen om te bepalen - of af te stemmen - hoe de structuren zich gedragen door een verscheidenheid aan verschillende factoren.

"Dit zou een nieuw veld kunnen openen, maatgestuurde afstemming, "Zei Håkonsen. "Het zou mogelijk kunnen zijn om de eigenschappen van superkristallen te controleren, niet alleen door hoe deeltjes zelf worden gemaakt, maar door de vorm en grootte van het superkristal en het aantal deeltjes erin."

Magnetiet kubussen

Håkonsens onderzoek bij het NTNU Nanomechanical Lab is gebaseerd op nanokubussen die hij zelf maakt van magnetiet, daarom assembleren ze zichzelf als reactie op een magnetisch veld.

Eigenlijk, hij maakt een molecuul dat hij vervolgens verwarmt in een oplosmiddel dat een zeepachtige substantie bevat die een oppervlakteactieve stof wordt genoemd. De oppervlakteactieve stof voorkomt dat de nanokubussen te groot worden en kan ook de vorm van het nanodeeltje bepalen. Op deze manier, Håkonsen en zijn team kunnen kubussen en bollen maken, onder andere vormen.

De medewerkers van Håkonsen zijn afkomstig uit verschillende disciplines, inclusief natuurkundigen, mechanische en materiaalwetenschappers en computerexperts, en komen van de Universiteit van Sydney en UCLM (Universidad de Castilla-La Mancha) naast NTNU. De onderzoekers kozen ervoor om kubussen te gebruiken voor hun studie omdat er minder onderzoek is gedaan naar kubussen dan bollen, en kubussen hebben ook de meeste kans om de sterkste structuur te bieden, hij zei.

"Dit is fundamenteel onderzoek. Onze motivatie was om te onderzoeken hoe magnetisme de mechanische eigenschappen in superkristallen beïnvloedt, " zei hij. "Het is belangrijk omdat we al deze potentiële toepassingen hebben, maar om ze te realiseren, we hebben ook mechanisch stabiele superkristallen nodig."

Håkonsen zei dat hij en zijn medewerkers hun onderzoek voortzetten om meer te weten te komen over hoe magnetisme kan worden gebruikt om de mechanische eigenschappen in magnetische superkristallen af ​​te stemmen.