超强磁性超晶体可以自行组装

使用纳米级组件的材料科学家已经开发出了使用消失的小型材料的方法。但是，如果您可以让您的组件将它们自己组装成不同的结构而又不实际处理它们呢?

VernerHåkonsen使用的立方体非常小，几乎有50亿个立方体可以装在针头上。

他在NTNU NanoLab中用化学药品和特殊肥皂的混合物在一个看起来怪异的玻璃烧瓶中煮饭，玻璃烧瓶上有三个脖子。

当他将这些看不见的立方体暴露在磁场中时，它们会产生神奇的壮举：它们将自己组装成他想要的任何形状。

他说：“这就像盖房子，除非您不必盖房子。” 该磁力随其他部队原因“屋里自身建设，所有的积木组装自己完全正确的情况下。”

尽管研究人员以前已经能够使纳米颗粒以不同的方式组装，但Håkonsen和他的同事们是第一个显示出磁性对于某些纳米颗粒结构的机械性能而言多么重要的人。研究人员称其微小的纳米立方体创造物为超结构或超晶体，因为纳米立方体以有序模式组织，类似于晶体中的原子。霍康森说：“超晶格特别有趣，因为与单个纳米颗粒或块状材料相比，它们具有增强的性能。”

最大的发现是，当磁性立方体以研究人员称为超晶体的形式自组装时(例如，呈线，杆或螺旋状)，超晶体中粒子之间的内聚能可增加多达45%。立方体之间的磁性相互作用。

他说：“这意味着将整个东西结合在一起的能量增加了45%。”

超晶的强度及其增强的磁性能将成为开发未来用途的关键，未来用途可能涉及从汽车工业到信息技术的所有领域。Håkonsen的研究刚刚发表在《高级功能材料》杂志上。

该实验室套管充满了纳米级的超晶。您可以看到的图案是自排列的超晶。图片来源：Nancy Bazilchuk / NTNU

当事物变得微小时，物理学变得怪异

纳米粒子研究的中心原则是，粒子越小，其行为就越陌生。

这是因为随着尺寸的缩小，与非纳米尺寸的颗粒相比，颗粒的表面积在结构总体积中所占的百分比要大得多。

霍肯森说：“结果，纳米粒子越小，它们可能变得越不稳定。” 这是纳米科学中所谓的“尺寸效应”，是随着事物变得小于100 nm而成为纳米技术的基本方面之一。

他解释说：“ 由于它们的尺寸很小，甚至可以使它们在不同的晶体结构之间自发地移动。” “颗粒部分融化。”

尺寸效应还会影响小纳米粒子的其他性质，例如磁性，在这种性质下，来自粒子的磁场会开始自身在不同方向上跳跃。

大小仍然很重要

换句话说，尽管磁性可以使研究人员的自组装纳米结构更坚固，但尺寸效应仍然起作用。当超晶体超小时，其结构要弱于其较大的晶体。

霍肯森说：“这意味着，在超晶中，还涉及到机械稳定性方面的尺寸效应，这是“超尺寸效应”，但这也暗示着其他超晶性能也有尺寸效应。” “同样值得注意的是，这种超尺寸效应已经超出了纳米级，甚至达到了微米级。”

该扫描电子显微镜图像清楚地显示了组装成超晶的12 nm纳米立方体。图片来源：VernerHåkonsen/ NTNU

但是，在这种情况下，知道大小效应会影响超晶而不是造成问题，这可以使研究人员控制(或调整)结构在各种不同因素下的行为。

Håkonsen说：“这可能会打开一个新的领域，即尺寸控制的调音台。” “不仅可以通过颗粒本身的制造方式，而且可以通过超晶体的形状和大小以及其中的颗粒数量来控制超晶的特征。”

磁铁矿立方体

Håkonsen在NTNU纳米力学实验室的研究依赖于他本人用磁铁矿制造的纳米立方体，这就是为什么它们在磁场作用下会自动组装的原因。

本质上，他制造了一个分子，然后在含有称为表面活性剂的肥皂状物质的溶剂中加热。表面活性剂防止纳米立方体太大，并且还可以控制纳米颗粒的形状。这样，Håkonsen和他的团队可以制作立方体和球体以及其他形状。

Håkonsen的合作者来自多个学科，包括物理学家，机械和材料科学家以及计算专家，他们来自悉尼大学和UCLM(卡斯蒂利亚-拉曼恰大学)以及NTNU。他说，研究人员选择使用立方体进行研究，因为对立方体的研究少于球体，而且立方体也最有可能提供最坚固的结构。

他说：“这是基础研究。我们的动机是研究磁性如何影响超晶的机械性能。” “这很重要，因为我们拥有所有这些潜在的应用，但是要实现它们，我们还需要机械稳定的超晶。”

霍肯森说，他和他的合作者正在继续他们的研究，以更多地了解如何利用磁力来调节磁性超晶的机械性能。