超強磁性超晶體可以自行組裝

使用納米級組件的材料科學家已經(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)而又不實際處理它們呢?

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

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

當他將這些看不見的立方體暴露在磁場中時，它們會產(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：“這就像蓋房子，除非您不必蓋房子。” 該磁力隨其他部隊原因“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顯示出磁性對于某些納米顆粒結(jié)構(gòu)的機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，因為納米立方體以有序模式組織，類似于晶體中的原子?；艨瞪f：“超晶格特別有趣，因為與單個納米顆?；驂K狀材料相比，它們具有增強的性能。”

最大的發(fā)現(xiàn)是，當磁性立方體以研究人員稱為超晶體的形式自組裝時(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45%。立方體之間的磁性相互作用。

他說：“這意味著將整個東西結(jié)合在一起的能量增加了45%。”

超晶的強度及其增強的磁性能將成為開發(fā)未來用途的關(guān)鍵，未來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《高級功能材料》雜志上。

該實驗室套管充滿了納米級的超晶。您可以看到的圖案是自排列的超晶。圖片來源：Nancy Bazilchuk / NTNU

當事物變得微小時，物理學變得怪異

納米粒子研究的中心原則是，粒子越小，其行為就越陌生。

這是因為隨著尺寸的縮小，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：“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：“ 由于它們的尺寸很小，甚至可以使它們在不同的晶體結(jié)構(gòu)之間自發(fā)地移動。” “顆粒部分融化。”

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

大小仍然很重要

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

霍肯森說：“這意味著，在超晶中，還涉及到機械穩(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，甚至達到了微米級。”

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。圖片來源：VernerHåkonsen/ NTNU

但是，在這種情況下，知道大小效應(yīng)會影響超晶而不是造成問題，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：“這可能會打開一個新的領(lǐng)域，即尺寸控制的調(diào)音臺。” “不僅可以通過顆粒本身的制造方式，而且可以通過超晶體的形狀和大小以及其中的顆粒數(shù)量來控制超晶的特征。”

磁鐵礦立方體

Håkonsen在NTNU納米力學實驗室的研究依賴于他本人用磁鐵礦制造的納米立方體，這就是為什么它們在磁場作用下會自動組裝的原因。

本質(zhì)上，他制造了一個分子，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和他的團隊可以制作立方體和球體以及其他形狀。

Håkonsen的合作者來自多個學科，包括物理學家，機械和材料科學家以及計算專家，他們來自悉尼大學和UCLM(卡斯蒂利亞-拉曼恰大學)以及NTNU。他說，研究人員選擇使用立方體進行研究，因為對立方體的研究少于球體，而且立方體也最有可能提供最堅固的結(jié)構(gòu)。

他說：“這是基礎(chǔ)研究。我們的動機是研究磁性如何影響超晶的機械性能。” “這很重要，因為我們擁有所有這些潛在的應(yīng)用，但是要實現(xiàn)它們，我們還需要機械穩(wěn)定的超晶。”

霍肯森說，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調(diào)節(jié)磁性超晶的機械性能。