Soms is het het beste om de magneten al het werk te laten doen.

Een team onder leiding van de natuurkundeprofessoren van Cornell University Itai Cohen en Paul McEuen gebruikt de bindende kracht van magneten om zelfassemblerende systemen te ontwerpen die mogelijk in nanoschaalvorm kunnen worden gemaakt.

hun papier, "Magnetic Handshake-materialen als schaalinvariant platform voor geprogrammeerde zelfassemblage, " gepubliceerd op 21 november in Proceedings van de National Academy of Sciences .

Om kleine systemen te maken, zoals miniatuurmachines, gels en metamaterialen - die in wezen zichzelf bouwen, de onderzoekers lieten zich inspireren door DNA-origami, waarin DNA-strengen op atomaire schaal kunnen worden gevouwen tot twee- en driedimensionale structuren via een proces dat complementaire basenparing wordt genoemd, waar specifieke nucleotiden aan elkaar binden:A aan T en G aan C.

In plaats van te vertrouwen op atomaire bindingen, het team werd aangetrokken door een andere vorm van aantrekkingskracht:magnetisme. Hier, de aantrekking en afstoting tussen meerdere magneten kan dienen als een soort intelligente verbinding, als een handdruk. Magnetische interacties zorgen ook voor sterke, veelzijdige bindingen die niet gemakkelijk worden verstoord door thermische effecten. Met een groot genoeg aantal magneten in verschillende oriëntaties, duizenden verschillende configuraties mogelijk zouden zijn.

De onderzoekers testten hun ontwerptheorie door centimetergrote acrylpanelen te maken, elk met vier kleine magneten in een vierkant patroon. Door deze opstelling konden ze vier unieke magnetische interacties maken.

"Door het patroon van magnetische dipolen op elk paneel te controleren, we kunnen in wezen lock-and-key binding krijgen, "zei Cohen. "En door deze panelen in ontworpen sequenties op een flexibele mylar-strip te lijmen, we hebben onze basisbouwstenen gemaakt."

Om de zelfmontage te activeren, de losse strengen lagen verspreid op een schudtafel, met de trillingen van de tafel die voorkomen dat de magneten bindingen vormen. Naarmate de schudamplitude werd verminderd, de magneten bevestigden in hun aangegeven volgorde en de strengen vormden de doelstructuren.

Het ultieme doel, zegt Cohen, is om nanoschaalversies van deze systemen te produceren, met zelfassemblerende eenheden die slechts honderd nanometer in diameter zijn, of een duizendste van een mensenhaar in diameter.

"Het is een vrij breed platform met veel applicaties die erg spannend en interessant zijn, " zei postdoctoraal onderzoeker Ran Niu, hoofdauteur van de krant. "Je kunt veel constructies ontwerpen. We kunnen optisch actieve actuatoren bouwen. We kunnen functionele machines bouwen die we kunnen besturen."

Het project kreeg onlangs een subsidie ​​van $ 1,1 miljoen Designing Materials to Revolutionize and Engineer Our Future van de National Science Foundation, waarmee het team incarnaties op nanoschaal verder kan verkennen.

"Het deel dat me echt interesseert, is het idee van hoe structuur en informatie op elkaar inwerken om vormveranderende machines te maken, " zei senior co-auteur McEuen, de John A. Newman Professor of Physical Science en directeur van het Kavli Institute in Cornell for Nanoscale Science, waar Cohen een senior onderzoeker is. "Dus RNA, bijvoorbeeld, is dit ongelooflijk verbazingwekkende molecuul in ons lichaam waar veel informatie in zit, maar heeft ook allerlei interessante functies. Dit is dus een soort analoog van dat systeem, waar we kunnen beginnen te begrijpen hoe je informatie en structuur combineert om complex gedrag te krijgen."

Hoewel machines op nanoschaal en zelfassemblerende systemen niet nieuw zijn, dit project markeert de eerste keer dat de twee concepten zijn gecombineerd met magnetische codering.

"De visie is dat ik je op een dag gewoon een magnetische schijf zal overhandigen, je zet het op je harde schijf, het schrijft alle magnetische codes die je hebt ontworpen, dan neem je het en doe je het in wat zuur om de bouwstenen vrij te maken, "Zei Cohen. "Alle kleine strengen met de magnetische patronen die we codeerden, zouden samenkomen en zichzelf assembleren tot een soort machine die we konden besturen met behulp van externe magnetische velden."

"Dit werk opent het veld van design, " voegde Cohen toe. "We geven mensen die geïnteresseerd zijn in de wiskunde van het ontwerpen van materialen vanaf het begin een gereedschapsset die ongelooflijk krachtig is. Er komt echt geen einde aan de creativiteit en het potentieel voor interessante ontwerpen die daaruit voortkomen."

De potentiële leermogelijkheden zijn te vinden in het onderzoeksteam zelf. De co-auteurs van het artikel zijn Edward Esposito, een voormalig universiteitsmedewerker die de eerklasse van Cohen's Electricity and Magnetism controleerde en technicus werd in Cohen's lab. Hij volgt nu een Ph.D. aan de Universiteit van Chicago. En co-auteur Jakin Ng is een student van de Ithaca High School die parttime begon te werken in Cohen's lab via het Learning Web-programma voor ervaringsgericht onderwijs voor jongeren. Ng's kennis van origamipatronen hielp de onderzoekers bij het ontwerpen van sommige van hun structuren.