En ciencia de materiales, Las interacciones entre las fuerzas dipolares de los imanes permanentes pueden dar lugar a la formación de cadenas y anillos unidimensionales. En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , Leon Abelmann y un equipo de investigación en componentes electrónicos, tecnología y materiales en la Universidad de Saarland, La Universidad de Twente y la Universidad Tecnológica de Delft en Alemania y Países Bajos investigaron la posibilidad de permitir que los dipolos se autoensamblen en estructuras 3-D encapsulándolos en un caparazón de una forma específica. El equipo se dio cuenta de las condiciones para tal autoensamblaje en un cristal 3-D cuando las energías dipolo en los estados paralelo y antiparalelo eran iguales. Formaron las estructuras más regulares utilizando cilindros y cuboides, y la regla de diseño simple ayudó a formar cristales tridimensionales a partir de objetos en el rango de micrones, abriendo el camino a la ingeniería de metamateriales hasta ahora desconocidos.

El crecimiento de cristal es una versión de autoensamblaje en la que los objetos individuales se pueden organizar en matrices regulares con un amplio impacto técnico. desde monocristales de silicio hasta estudios de difracción de proteínas. El proceso de crecimiento de los cristales comienza con la nucleación, partiendo de plantillas bien definidas o de imperfecciones aleatorias, o espontáneamente en el espacio. El equipo se centró en este último mecanismo de formación en este trabajo. La formación de cristales a macroescala (más allá de los átomos y moléculas) está recibiendo actualmente una mayor atención debido a su promesa de formar metamateriales con nuevas funcionalidades. Los investigadores habían observado previamente un intrincado crecimiento de cristales a partir de esferas de sílice o polímeros, incluidos los cristales fotónicos. Dichos procesos se basaban en la evaporación del solvente para acercar los componentes unos a otros, asistido por el flujo de disolvente, aunque el proceso también puede ser impulsado por la sedimentación, lo que conduce a estructuras compactas.

En este trabajo, Abelmann y col. estudió la posibilidad de autoensamblaje de cristales bajo fuerzas dipolares magnéticas permanentes. El equipo realizó experimentos con imanes permanentes de tamaño milimétrico incrustados en una capa de polímero de diferentes formas. Luego sumergieron el objeto en agua y contrarrestaron las fuerzas gravitacionales con un flujo de agua hacia arriba para mantener los objetos en el campo de visión de la cámara. La turbulencia ajustable en el flujo creó fuerzas perturbadoras para proporcionar energía cinética estocástica a los objetos, similar al movimiento browniano. Las interacciones entre los dipolos esféricos permanentes dieron como resultado la formación de cadenas, y ocho dipolos podrían ensamblarse para formar un anillo, en un mecanismo bien entendido. Las fuerzas dipolares primero organizaron esferas en una línea, y con más de tres esferas, el equipo observó que el sistema alcanzaba un estado de menor energía para cerrar la línea en un anillo. Notaron una ganancia de energía sustancial en el caso de ocho esferas, permitiendo que los anillos se formen fácilmente y permanezcan intactos.

Abelmann y col. usó la forma de la cubierta de polímero para cambiar la distancia entre dipolos para diversas orientaciones. Los científicos alargaron el caparazón para aumentar la distancia entre los centros de los dipolos y obtener estructuras en 2-D parecidas a placas. Si las energías entre los estados paralelo y antiparalelo fueran iguales, los dipolos recién llegados se alinearon de manera similar para formar estructuras tridimensionales. El equipo demostró la estrategia para formar ocho esferoides, cilindros y cuboides y eligió una diferencia de energía de 40 µJ para los estados antiparalelo y paralelo para todas las formas. Cuando invirtieron la diferencia de energía entre los estados paralelo y antiparalelo, de modo que el estado antiparalelo demostró la menor energía, notaron estructuras de placas claras para cilindros y estructuras irregulares para esferoides. Sin embargo, cuando ambas energías eran iguales, Abelmann y col. observó que los cilindros formaban grupos tridimensionales. Por lo tanto, siempre que no haya preferencia por la alineación paralela o antiparalela, la configuración experimental podría autoensamblar estructuras tridimensionales basadas en fuerzas dipolares. Es más, Las uniones relativamente estables de los conjuntos cuboides condujeron a un cierre de flujo magnético que prohibió un mayor crecimiento. mientras que los esferoides formaron estructuras complejas de doble anillo que se asemejan a las predichas en simulaciones anteriores.

La estructura de los esferoides también se mantuvo unida durante varios minutos, mucho más largo que cilindros y cubos que se desintegraron en partes después de unos segundos. Por ejemplo, durante los experimentos, la estructura anular de las esferas se rompió para formar una cadena, pero luego se volvió a conectar en un anillo en menos de un minuto. Abelmann y col. atribuyó la mayor estabilidad de las estructuras esferoides a su capacidad para desalinearse sin aumentar inmediatamente su distancia, disminuyendo así la fuerza entre los imanes. Las estructuras de cadena se rompieron más fácilmente debido a enlaces simples en comparación con placas o cristales con enlaces múltiples. Los cilindros y cubos también podían ensamblarse para formar largas cadenas rígidas que se rompían con el contacto frecuente con las paredes del reactor.

Según las formas investigadas en el estudio, Los cilindros parecían más adecuados para autoensamblarse en estructuras tridimensionales bien definidas, ya que experimentos adicionales demostraron que los esferoides no se autoensamblaban comparativamente para formar cristales regulares. Los grupos de cilindros y cuboides podrían romperse en grupos más pequeños y luego realinearse para formar cristales más regulares. La desintegración de conjuntos más grandes se produjo con mayor frecuencia debido al aumento de las fuerzas de corte. El efecto también puede ser amplificado por la energía en el flujo turbulento, aunque no se sabe si el efecto fue típico del autoensamblaje impulsado por turbulencias o inducido por otros factores experimentales. Abelmann y col. intenta encontrar respuestas estudiando más el fenómeno cambiando el tamaño absoluto de los objetos.

De este modo, Leon Abelmann y sus colegas demostraron experimentalmente la capacidad de las estructuras 3-D para autoensamblarse a partir de fuerzas dipolares, siempre que no haya preferencia por la alineación paralela o antiparalela. Los científicos lograron esto equilibrando las fuerzas dipolares a través de interacciones estéricas inducidas por la forma específica del objeto. Seleccionaron la forma cilíndrica ya que parecía ser un buen compromiso para ayudar a lograr cristales regulares. Los experimentos también coincidieron con las simulaciones de dinámica molecular donde las formas esféricas eran más propensas a formar grandes grupos que cubos. mientras que las interacciones dipolares perturbaron la formación de cristales de cubos.

Los resultados fomentan los experimentos sobre el autoensamblaje de cristales a microescala utilizando dipolos magnéticos permanentes. Según los resultados, Los científicos de materiales podrán visualizar metamateriales emocionantes como antiferromagnetos artificiales, materiales piezomagnéticos y memorias de núcleo de anillo magnéticas tridimensionales. La fuerza entre dipolos no cambió en relación con el tamaño de los dipolos, mientras que su origen como dipolos magnéticos o eléctricos no tuvo ningún efecto experimental, por tanto, Abelmann et al. pretenden generalizar los resultados experimentales para el ensamblaje 3-D en la escala de micrones. Los resultados conducirán a la formación de cristales fotónicos, supermateriales, Electrónica o memorias 3D.

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