In de materiaalkunde, interacties tussen dipolaire krachten van permanente magneten kunnen leiden tot eendimensionale kettingen en ringen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Leon Abelmann en een onderzoeksteam in elektronische componenten, technologie en materialen aan de Universiteit van Saarland, De Universiteit Twente en de Technische Universiteit Delft in Duitsland en Nederland onderzochten de mogelijkheid om dipolen zichzelf te laten assembleren tot 3D-structuren door ze in te kapselen in een schaal met een specifieke vorm. Het team realiseerde de voorwaarden voor een dergelijke zelfassemblage in een 3D-kristal wanneer de dipool-energieën in parallelle en antiparallelle toestanden gelijk waren. Ze vormden de meest regelmatige structuren met behulp van cilinders en kubussen, en de eenvoudige ontwerpregel hielp bij het vormen van 3D-kristallen van objecten in het micronbereik, de weg openen om tot nu toe onbekende metamaterialen te ontwikkelen.

Kristalgroei is een versie van zelfassemblage waarbij individuele objecten kunnen worden gerangschikt in regelmatige reeksen met een brede technische impact, variërend van silicium eenkristallen tot diffractiestudies op eiwitten. Het proces van kristalgroei begint met kiemvorming, beginnend met goed gedefinieerde sjablonen of willekeurige onvolkomenheden, of spontaan in de ruimte. Het team concentreerde zich in dit werk op het laatste vormingsmechanisme. De vorming van kristallen op macroschaal (buiten atomen en moleculen) krijgt momenteel meer aandacht vanwege de belofte om metamaterialen te vormen met nieuwe functionaliteiten. Onderzoekers hadden eerder ingewikkelde kristalgroei waargenomen uit silica- of polymeerbollen, waaronder fotonische kristallen. Dergelijke processen waren gebaseerd op verdamping van oplosmiddelen om componenten bij elkaar in de buurt te brengen, geholpen door oplosmiddelstroom, hoewel het proces ook kan worden aangedreven door sedimentatie, wat leidt tot dicht opeengepakte structuren.

In dit werk, Abelmann et al. bestudeerde de mogelijkheid van zelf-assemblerende kristallen onder permanente magnetische dipolaire krachten. Het team voerde experimenten uit met permanente magneten van millimeters, ingebed in een polymeeromhulsel met verschillende vormen. Vervolgens dompelden ze het object onder in water en compenseerden ze de zwaartekracht met een opwaartse waterstroom om objecten in het gezichtsveld van de camera te houden. De instelbare turbulentie in de stroming creëerde storende krachten om stochastische kinetische energie aan objecten te leveren, vergelijkbaar met Brownse beweging. Interacties tussen de permanente bolvormige dipolen resulteerden in de vorming van kettingen, en acht dipolen konden samenkomen om een ​​ring te vormen, in een goed begrepen mechanisme. De dipolaire krachten organiseerden eerst sferen in een lijn, en met meer dan drie bollen zag het team dat het systeem een ​​lagere energietoestand bereikte om de lijn in een ring te sluiten. Ze noteerden een aanzienlijke energiewinst in het geval van acht bollen, waardoor de ringen zich gemakkelijk kunnen vormen en intact blijven.

Abelmann et al. gebruikte de vorm van de polymeerschil om de afstand tussen dipolen voor verschillende oriëntaties te veranderen. De wetenschappers verlengden de schaal om de afstand tussen de dipoolcentra te vergroten om 2D-plaatachtige structuren te verkrijgen. Als de energieën tussen de parallelle en antiparallelle toestanden gelijk waren, de nieuw aangekomen dipolen zijn op dezelfde manier uitgelijnd om 3D-structuren te vormen. Het team demonstreerde de strategie om acht sferoïden te vormen, cilinders en balkjes en koos voor een energieverschil van 40 µJ voor de antiparallelle en parallelle toestanden voor alle vormen. Toen ze het energieverschil tussen de parallelle en antiparallelle toestanden omkeerden, zodat de antiparallelle toestand de lagere energie aantoonde, ze merkten duidelijke plaatstructuren op voor cilinders en onregelmatige structuren voor sferoïden. Echter, toen beide energieën gelijk waren, Abelmann et al. observeerde de cilinders om 3D-clusters te vormen. Daarom, op voorwaarde dat er geen voorkeur was voor parallelle of antiparallelle uitlijning, de experimentele opstelling zou zelf 3D-structuren kunnen assembleren op basis van dipolaire krachten. Verder, relatief stabiele bevestigingen van de kubusvormige assemblages leidden tot magnetische fluxsluiting die verdere groei verhinderde, terwijl sferoïden complexe dubbele ringstructuren vormden die leken op die voorspeld in eerdere simulaties.

De structuur van sferoïden bleef ook enkele minuten bij elkaar, veel langer dan cilinders en kubussen die na een paar seconden in delen uiteenvielen. Bijvoorbeeld, tijdens de experimenten, de ringstructuur van bollen brak uit elkaar om een ​​ketting te vormen, maar werd in minder dan een minuut weer verbonden tot een ring. Abelmann et al. schreef de hogere stabiliteit van sferoïde structuren toe aan hun vermogen om verkeerd uit te lijnen zonder hun afstand onmiddellijk te vergroten, waardoor de kracht tussen de magneten afneemt. Kettingstructuren breken gemakkelijker door enkele bindingen in vergelijking met platen of kristallen met meerdere bindingen. Cilinders en kubussen zouden ook kunnen samensmelten tot lange starre kettingen die afbraken bij veelvuldig contact met de reactorwanden.

Op basis van de vormen die in het onderzoek zijn onderzocht, cilinders leken het meest geschikt om zichzelf te assembleren tot goed gedefinieerde 3D-structuren, omdat aanvullende experimenten aantoonden dat sferoïden relatief niet zelf assembleerden om reguliere kristallen te vormen. Clusters van cilinders en kubussen kunnen uiteenvallen in kleinere clusters en vervolgens opnieuw worden uitgelijnd om meer regelmatige kristallen te vormen. Desintegratie van grotere assemblages kwam vaker voor als gevolg van verhoogde schuifkrachten. Het effect kan ook worden versterkt door de energie in de turbulente stroming, hoewel het niet bekend is of het effect typisch was voor turbulent aangedreven zelfassemblage of veroorzaakt werd door andere experimentele factoren. Abelmann et al. zijn van plan om antwoorden te vinden door het fenomeen verder te bestuderen door de absolute grootte van objecten te veranderen.

Op deze manier, Leon Abelmann en collega's hebben experimenteel het vermogen aangetoond van 3D-structuren om zichzelf te assembleren uit dipolaire krachten, op voorwaarde dat er geen voorkeur was voor parallelle of antiparallelle uitlijning. De wetenschappers bereikten dit door dipolaire krachten in evenwicht te brengen via sterische interacties die worden veroorzaakt door de specifieke vorm van het object. Ze kozen voor de cilindrische vorm omdat het een goed compromis bleek te zijn om te helpen bij het verkrijgen van reguliere kristallen. De experimenten kwamen ook overeen met moleculaire dynamica-simulaties waarbij sferische vormen eerder grote clusters vormden dan kubussen, terwijl dipolaire interacties kristalvorming van kubussen verstoorden.

De resultaten moedigen experimenten aan met zelfassemblage van kristallen op microschaal met behulp van permanente magnetische dipolen. Op basis van de resultaten, materiaalwetenschappers zullen zich spannende metamaterialen kunnen voorstellen, zoals kunstmatige antiferromagneten, piëzomagnetische materialen en 3D magnetische ringkerngeheugens. De kracht tussen de dipolen veranderde niet ten opzichte van de grootte van de dipolen, terwijl hun oorsprong als magnetische of elektrische dipolen geen experimenteel effect had, daarom Abelmann et al. zijn van plan om de experimentele resultaten voor 3D-assemblage op micronschaal te generaliseren. De resultaten zullen leiden tot de vorming van fotonische kristallen, supermaterialen, 3D-elektronica of herinneringen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk