研究人员发现，当一种特定类型的粒子——具有独特磁性的小珠子——暴露在快速变化的旋转磁场中时，它们倾向于形成依赖方向的结构，称为各向异性结构。这个发现很重要，因为可以调整各向异性以创造具有不同属性的新材料结构。
这些粒子比常规的分子或原子大，但又小到不能被肉眼看到，需要使用显微镜，它们能够形成各种有用的结构，如微型机器人的小螺旋桨、细胞探针和用于靶向药物递送的可操控微轮。
莱斯大学的化学工程师团队，在丽莎·比斯瓦尔的带领下，发现将这些特殊磁化的微米级珠子暴露于快速变化的旋转磁场中，促使它们自组装成各向异性排列。这是一个重要的突破，因为它允许通过操控各向异性来工程化新的材料属性和结构。
“我们的主要发现是，通过在每次旋转后改变磁场的旋转方向，我们可以在这些粒子之间创建一种各向异性相互作用势，这一点直到现在尚未得到充分探索，”比斯瓦尔实验室的研究科学家、该研究的首位作者阿尔多·斯帕塔丰·萨拉萨尔解释道，该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
所研究的粒子被称为超顺磁胶体，这类粒子对磁场反应强烈，在开发具有特定功能的先进材料方面非常有价值，另外的首位作者达娜·洛布迈尔表示。
“这一发现对于在颗粒级别设计先进材料至关重要，尤其是因为我们关注了胶体与磁场相互作用的一个常被忽视的方面——磁弛豫时间，”她指出，自己是比斯瓦尔的学生，曾在莱斯大学获得博士学位。
磁弛豫时间指的是小珠子对磁场方向变化反应的滞后。研究人员提出，这种延迟加上旋转磁场在珠子相互作用中起着重要作用，导致形成二维晶格并在三维中产生对齐的、拉长的簇。
“超顺磁珠子反应的延迟过去被认为不重要，但我们的发现表明，将其与交替磁场的影响结合考虑，可以更好地控制粒子的排列，”这项研究的首位作者、莱斯大学的著名教授比斯瓦尔说道。
该研究结合了一系列实际实验、模拟和理论分析。在实验中，研究团队考察了浓密和稀释的珠悬浮液与不同强度和频率的磁场的结合。
“在浓缩环境中，珠子形成了拉长的、对齐的簇，我们研究了不同因素如何影响它们的形状，”斯帕塔丰·萨拉萨尔说。“稀释悬浮液提供了更清晰的视角，让我们能够专注于两个珠子之间的相互作用，被称为二聚体。”
来自二聚体实验的见解帮助澄清了较大簇如何排列和拉长。然而，实验数据与模拟之间的匹配只有在考虑测得的磁弛豫时间后才准确，这将在即将发表的研究中详细说明。
有趣的是，数据揭示了珠子磁化分布中的一种“吃豆人”形状：当磁化时，每个珠子变成一个偶极子，具有正负两面，类似于南北方向。在旋转的磁场中，这些偶极子像罗盘针一样排列在一起。然而，由于磁弛豫，这些指针不会完全旋转360度，这在视觉上呈现出一个“嘴”的形状。
“在嘴的部分，相互作用最弱，但在头部却最强，这导致了二聚体和簇的对齐，”洛布迈尔说。“理解这种行为需要我们摆脱用于研究这些珠子的传统假设。”
该研究的其他作者包括莱斯大学校友路卡斯·H.P.·库尼亚’23和前博士后研究员凯达尔·乔希。这项研究得到了国家科学基金会和美国化学学会石油研究基金的资助。
