Jak odkryli naukowcy z Rice University, cząstki magnetyczne manipulowane przez wirujące pola organizują się w struktury anizotropowe, potencjalnie zmieniając konstrukcję materiału.
Cząsteczki większe niż zwykłe cząsteczki lub atomy, a jednocześnie wystarczająco małe, aby być niewidoczne gołym okiem, mogą tworzyć różnorodne przydatne struktury, takie jak maleńkie śmigła dla mikrorobotów, sondy komórkowe i sterowane mikrokoła do ukierunkowanego dostarczania leków.
Teraz zespół inżynierów chemików z Rice University, kierowany przez Lisę Biswal, odkrył, że wystawienie określonej klasy tych cząstek – kulek wielkości mikrona o szczególnej wrażliwości magnetycznej – na działanie szybko zmiennego, wirującego pola magnetycznego powoduje, że organizują się one w struktury zależne od kierunku lub anizotropowe. Odkrycie jest znaczące, ponieważ można manipulować anizotropią w celu stworzenia nowych, przestrajalnych struktur i właściwości materiału.
Odkrycie anizotropowych potencjałów interakcji
„Naszym kluczowym odkryciem jest to, że zmieniając kierunek rotacji pola magnetycznego po każdym obrocie, możemy wytworzyć anizotropowy potencjał interakcji między cząstkami, co nie było wcześniej w pełni realizowane” – powiedział Aldo Spatafora-Salazar, specjalista ds. chemii i biomolekularności naukowiec zajmujący się badaniami inżynieryjnymi w laboratorium Biswal i jeden z głównych autorów badania na temat tego badania, opublikowano w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
Dana Lobmeyer, druga pierwsza autorka badania, wyjaśniła, że cząstki analizowane w ramach badania to zbiorczo zwane koloidami superparamagnetycznymi, których reakcja na pola magnetyczne czyni je popularnym elementem konstrukcyjnym wysokowydajnych materiałów o dostosowanej funkcjonalności.
Implikacje dla projektowania materiałów
„To odkrycie ma znaczenie dla oddolnego projektowania zaawansowanych materiałów, zwłaszcza że skupiliśmy się na aspekcie interakcji między koloidami i polami magnetycznymi, który jest zwykle pomijany – czasie relaksacji magnetycznej” – powiedział Lobmeyer, absolwent studiów doktoranckich w dziedzinie Rice, któremu doradza Biswal .
Czas relaksacji odnosi się do opóźnienia odpowiedzi magnetycznej kulek na zmiany kierunku pola. Naukowcy postawili hipotezę, że to opóźnienie w połączeniu z wpływem zmiennego pola magnetycznego wpływa na interakcje kulek, powodując ich układanie się w sieć krystaliczną w dwóch wymiarach oraz tworzenie wydłużonych, wyrównanych skupisk w trzech wymiarach.
„Opóźniona odpowiedź magnetyczna, czyli czas relaksacji magnetycznej, koralików superparamagnetycznych była wcześniej uważana za nieistotną, ale odkryliśmy, że uwzględnienie jej i połączenie jej z wpływem zmiennego pola magnetycznego to skuteczny sposób na sprawowanie precyzyjnej kontroli nad cząstek” – powiedział Biswal, współautor badania i profesor inżynierii chemicznej William M. McCardell z Rice, profesor nauk o materiałach i nanoinżynierii oraz starszy prodziekan ds. rozwoju wydziału.
Metodologia badań i spostrzeżenia eksperymentalne
Badania obejmowały kombinację eksperymentów, symulacji i przewidywań teoretycznych. W ramach eksperymentu zespół przyjrzał się zarówno stężonym, jak i rozcieńczonym zawiesinom kulek w połączeniu ze zmiennymi polami magnetycznymi o różnym natężeniu i częstotliwości.
„Skoncentrowane kulki utworzyły wydłużone, wyrównane skupiska i przeanalizowaliśmy, jak różne parametry wpływają na ich kształt” – powiedziała Spatafora-Salazar. „Rozcieńczone zawiesiny uprościły system, umożliwiając nam badanie interakcji między dwoma kulkami – wersja systemu znana jako dimer”.
Wnioski eksperymentalne dotyczące dimerów pomogły wyjaśnić wyrównanie i wydłużenie w większych klastrach. Jednak dane eksperymentalne odpowiadały symulacjom dopiero po wzięciu pod uwagę pomiarów czasu relaksacji magnetycznej (które stanowią przedmiot osobnego, wkrótce opublikowanego badania).
Nowatorskie obserwacje dotyczące odpowiedzi magnetycznej
Zabawnym elementem danych był kształt Pac-Mana opisany przez rozkład namagnesowania koralika: w stanie namagnesowanym każdy koralik zyskuje dipol — parę ładunków ujemnych i dodatnich, tworzących oś północ-południe. W odpowiedzi na wirujące pole magnetyczne dipol porusza się jak igła kompasu, ustawiając wszystkie koraliki w tej samej orientacji. Jednak z powodu relaksacji magnetycznej igła nie obraca się o pełne 360 stopni, pozostawiając po naniesieniu na mapę coś, co pojawia się jako usta Pac-Mana.
„Interakcje są najsłabsze wzdłuż jamy ustnej, ale najsilniejsze wzdłuż głowy, powodując ułożenie dimerów i klastrów” – powiedział Lobmeyer. „Nie bylibyśmy w stanie zrozumieć tego zjawiska, gdyby nie odeszli od tradycyjnych założeń stosowanych przy badaniu tych koralików”.
Odniesienie: „Wyrównane klastry koloidalne w przemiennym wirującym polu magnetycznym wyjaśnione przez relaksację magnetyczną” Aldo Spatafora-Salazar, Dana M. Lobmeyer, Lucas HP Cunha, Kedar Joshi i Sibani Lisa Biswal, 30 września 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2404145121
Badania były wspierane przez National Science Foundation (214112, 1828869) i ACS Petroleum Research Fund (65274-ND9).
