使用偶极相互作用的三维自组装

在材料科学中，永磁体偶极力之间的相互作用会导致形成一维链和环。在一份关于科学进展的新报告中，Leon Abelmann 和萨尔大学、特温特大学和德国和荷兰代尔夫特理工大学的电子元件、技术和材料研究团队研究了通过将偶极子封装在 3-D 结构中的可能性。特定形状的外壳。当平行和反平行状态的偶极子能量相等时，该团队意识到在 3-D 晶体中进行这种自组装的条件。他们使用圆柱体和长方体形成了最规则的结构，简单的设计规则有助于从微米范围内的物体形成 3-D 晶体，为设计前所未有的超材料开辟了道路。

晶体生长是自组装的一种形式，其中单个物体可以排列成具有广泛技术影响的规则阵列，范围从硅单晶到蛋白质的衍射研究。晶体生长过程从成核开始，从明确定义的模板或随机缺陷开始，或在空间中自发地开始。该团队在这项工作中专注于后一种形成机制。由于有望形成超材料，宏观尺度(原子和分子之外)晶体的形成目前正受到越来越多的关注具有新颖的功能。研究人员此前曾观察到二氧化硅或聚合物球体(包括光子晶体)的复杂晶体生长。这种过程依赖于溶剂蒸发，在溶剂流动的帮助下，使组分相互靠近，尽管该过程也可以由沉淀驱动——导致密堆积结构。

在这项工作中，Abelmann 等人。研究了在永久磁偶极力下自组装晶体的可能性。该团队对嵌入不同形状的聚合物外壳中的毫米级永磁体进行了实验。然后他们将物体浸入水中，并用向上的水流平衡重力，以保持物体在相机的视野中。流动中的可调节湍流产生干扰力，为物体提供随机动能，类似于布朗运动。永久球形偶极子之间的相互作用导致链的形成，八个偶极子可以组装形成一个环，这是一个很好理解的机制. 偶极力首先将球体组织成一条线，团队观察到超过三个球体的系统达到较低的能量状态，将线闭合成一个环。他们注意到八个球体的能量显着增加，使环容易形成并保持完整。

阿贝尔曼等人。使用聚合物壳的形状来改变不同方向的偶极子之间的距离。科学家们拉长了外壳以增加偶极子中心之间的距离，以获得二维板状结构。如果平行和反平行状态之间的能量相等，则新到达的偶极子类似地排列以形成 3-D 结构。该团队展示了形成八个球体、圆柱体和长方体的策略，并为所有形状的反平行和平行状态选择了 40 µJ 的能量差。当他们逆转平行和反平行状态之间的能量差异，使反平行状态表现出较低的能量时，他们注意到清晰的板结构用于圆柱体和球体的不规则结构。然而，当两种能量相等时，Abelmann 等人。观察圆柱体形成 3-D 簇。因此，如果没有偏向平行或反平行排列，实验装置可以基于偶极力自组装 3-D 结构。此外，长方体组件相对稳定的附着导致磁通量闭合，阻止进一步生长，而球体形成复杂的双环结构，类似于先前模拟中预测的结构。

球体的结构也保持在一起几分钟，比几秒钟后分解成零件的圆柱体和立方体要长得多。例如，在实验过程中，球体的环状结构裂开形成一条链，然后在不到一分钟的时间内重新连接成一个环。阿贝尔曼等人。将球体结构的更高稳定性归功于它们在不立即增加距离的情况下错位的能力，从而减少了磁铁之间的力。与具有多键的板或晶体相比，由于单键，链结构更容易断裂。圆柱体和立方体也可以组装成长的刚性链，在与反应器壁频繁接触时断裂。

根据研究中研究的形状，圆柱体似乎最适合自组装成明确定义的 3-D 结构，因为额外的实验表明，球体不会相对自组装形成规则晶体。圆柱体和长方体的簇可以分解成更小的簇，然后重新排列形成更规则的晶体。由于剪切力的增加，较大组件的分解发生得更频繁。这种效应也可能被湍流中的能量放大，尽管不知道这种效应是湍流驱动自组装的典型效应还是由其他实验因素引起的。阿贝尔曼等人。打算通过改变物体的绝对大小进一步研究现象来找到答案。

通过这种方式，Leon Abelmann 及其同事通过实验证明了 3-D 结构从偶极力自组装的能力，前提是没有偏好平行或反平行排列。科学家们通过由物体的特定形状引起的空间相互作用来平衡偶极力来实现这一点。他们选择了圆柱形，因为它似乎是帮助获得规则晶体的一个很好的折衷方案。实验还与分子动力学模拟一致，其中球形比立方体更容易形成大簇，而偶极相互作用干扰立方体的晶体形成。

结果鼓励使用永磁偶极子在微观尺度上进行晶体自组装实验。基于这些结果，材料科学家将能够设想出令人兴奋的超材料，例如人工反铁磁体、压电材料和 3-D 磁环芯存储器。偶极子之间的力相对于偶极子的大小没有变化，而它们作为磁偶极子或电偶极子的起源没有实验影响，因此 Abelmann 等人。打算在微米尺度上概括 3-D 组装的实验结果。结果将导致光子晶体、超材料、3-D电子产品的形成 或回忆。