超強(qiáng)磁性超晶體可以自行組裝

使用納米級(jí)組件的材料科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了使用消失的小型材料的方法。但是，如果您可以讓您的組件將它們自己組裝成不同的結(jié)構(gòu)而又不實(shí)際處理它們呢?

VernerHåkonsen使用的立方體非常小，幾乎有50億個(gè)立方體可以裝在針頭上。

他在NTNU NanoLab中用化學(xué)藥品和特殊肥皂的混合物在一個(gè)看起來(lái)怪異的玻璃燒瓶中煮飯，玻璃燒瓶上有三個(gè)脖子。

當(dāng)他將這些看不見的立方體暴露在磁場(chǎng)中時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生神奇的壯舉：它們將自己組裝成他想要的任何形狀。

他說(shuō)：“這就像蓋房子，除非您不必蓋房子。” 該磁力隨其他部隊(duì)原因“屋里自身建設(shè)，所有的積木組裝自己完全正確的情況下。”

盡管研究人員以前已經(jīng)能夠使納米顆粒以不同的方式組裝，但Håkonsen和他的同事們是第一個(gè)顯示出磁性對(duì)于某些納米顆粒結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能而言多么重要的人。研究人員稱其微小的納米立方體創(chuàng)造物為超結(jié)構(gòu)或超晶體，因?yàn)榧{米立方體以有序模式組織，類似于晶體中的原子?；艨瞪f(shuō)：“超晶格特別有趣，因?yàn)榕c單個(gè)納米顆?；驂K狀材料相比，它們具有增強(qiáng)的性能。”

最大的發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)磁性立方體以研究人員稱為超晶體的形式自組裝時(shí)(例如，呈線，桿或螺旋狀)，超晶體中粒子之間的內(nèi)聚能可增加多達(dá)45%。立方體之間的磁性相互作用。

他說(shuō)：“這意味著將整個(gè)東西結(jié)合在一起的能量增加了45%。”

超晶的強(qiáng)度及其增強(qiáng)的磁性能將成為開發(fā)未來(lái)用途的關(guān)鍵，未來(lái)用途可能涉及從汽車工業(yè)到信息技術(shù)的所有領(lǐng)域。Håkonsen的研究剛剛發(fā)表在《高級(jí)功能材料》雜志上。

該實(shí)驗(yàn)室套管充滿了納米級(jí)的超晶。您可以看到的圖案是自排列的超晶。圖片來(lái)源：Nancy Bazilchuk / NTNU

當(dāng)事物變得微小時(shí)，物理學(xué)變得怪異

納米粒子研究的中心原則是，粒子越小，其行為就越陌生。

這是因?yàn)殡S著尺寸的縮小，與非納米尺寸的顆粒相比，顆粒的表面積在結(jié)構(gòu)總體積中所占的百分比要大得多。

霍肯森說(shuō)：“結(jié)果，納米粒子越小，它們可能變得越不穩(wěn)定。” 這是納米科學(xué)中所謂的“尺寸效應(yīng)”，是隨著事物變得小于100 nm而成為納米技術(shù)的基本方面之一。

他解釋說(shuō)：“ 由于它們的尺寸很小，甚至可以使它們?cè)诓煌木w結(jié)構(gòu)之間自發(fā)地移動(dòng)。” “顆粒部分融化。”

尺寸效應(yīng)還會(huì)影響小納米粒子的其他性質(zhì)，例如磁性，在這種性質(zhì)下，來(lái)自粒子的磁場(chǎng)會(huì)開始自身在不同方向上跳躍。

大小仍然很重要

換句話說(shuō)，盡管磁性可以使研究人員的自組裝納米結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，但尺寸效應(yīng)仍然起作用。當(dāng)超晶體超小時(shí)，其結(jié)構(gòu)要弱于其較大的晶體。

霍肯森說(shuō)：“這意味著，在超晶中，還涉及到機(jī)械穩(wěn)定性方面的尺寸效應(yīng)，這是“超尺寸效應(yīng)”，但這也暗示著其他超晶性能也有尺寸效應(yīng)。” “同樣值得注意的是，這種超尺寸效應(yīng)已經(jīng)超出了納米級(jí)，甚至達(dá)到了微米級(jí)。”

該掃描電子顯微鏡圖像清楚地顯示了組裝成超晶的12 nm納米立方體。圖片來(lái)源：VernerHåkonsen/ NTNU

但是，在這種情況下，知道大小效應(yīng)會(huì)影響超晶而不是造成問(wèn)題，這可以使研究人員控制(或調(diào)整)結(jié)構(gòu)在各種不同因素下的行為。

Håkonsen說(shuō)：“這可能會(huì)打開一個(gè)新的領(lǐng)域，即尺寸控制的調(diào)音臺(tái)。” “不僅可以通過(guò)顆粒本身的制造方式，而且可以通過(guò)超晶體的形狀和大小以及其中的顆粒數(shù)量來(lái)控制超晶的特征。”

磁鐵礦立方體

Håkonsen在NTNU納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究依賴于他本人用磁鐵礦制造的納米立方體，這就是為什么它們?cè)诖艌?chǎng)作用下會(huì)自動(dòng)組裝的原因。

本質(zhì)上，他制造了一個(gè)分子，然后在含有稱為表面活性劑的肥皂狀物質(zhì)的溶劑中加熱。表面活性劑防止納米立方體太大，并且還可以控制納米顆粒的形狀。這樣，Håkonsen和他的團(tuán)隊(duì)可以制作立方體和球體以及其他形狀。

Håkonsen的合作者來(lái)自多個(gè)學(xué)科，包括物理學(xué)家，機(jī)械和材料科學(xué)家以及計(jì)算專家，他們來(lái)自悉尼大學(xué)和UCLM(卡斯蒂利亞-拉曼恰大學(xué))以及NTNU。他說(shuō)，研究人員選擇使用立方體進(jìn)行研究，因?yàn)閷?duì)立方體的研究少于球體，而且立方體也最有可能提供最堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

他說(shuō)：“這是基礎(chǔ)研究。我們的動(dòng)機(jī)是研究磁性如何影響超晶的機(jī)械性能。” “這很重要，因?yàn)槲覀儞碛兴羞@些潛在的應(yīng)用，但是要實(shí)現(xiàn)它們，我們還需要機(jī)械穩(wěn)定的超晶。”

霍肯森說(shuō)，他和他的合作者正在繼續(xù)他們的研究，以更多地了解如何利用磁力來(lái)調(diào)節(jié)磁性超晶的機(jī)械性能。