„Pac-Man-Effekt“ ermöglicht die präzise Organisation superparamagnetischer Perlen

Partikel, die größer als normale Moleküle oder Atome sind, aber für das bloße Auge unsichtbar bleiben, können eine Vielzahl nützlicher Strukturen bilden, darunter Miniaturpropeller für Mikroroboter, Zellsonden und steuerbare Mikroräder für die gezielte Medikamentenabgabe.

Lisa Biswals Team aus Chemieingenieuren an der Rice University hat herausgefunden, dass sich eine bestimmte Klasse solcher Partikel – mikrometergroße Kügelchen mit einer besonderen magnetischen Empfindlichkeit – einem schnell wechselnden, rotierenden Magnetfeld aussetzt, was dazu führt, dass sie sich in richtungsabhängigen Strukturen organisieren oder anisotrop. Diese Entdeckung ist wichtig, da die Anisotropie angepasst werden kann, um neue, anpassbare Materialstrukturen und -eigenschaften zu entwickeln.

„Unsere wichtigste Erkenntnis ist, dass wir durch die Änderung der Rotationsrichtung des Magnetfelds nach jeder Umdrehung ein anisotropes Wechselwirkungspotential zwischen Partikeln erzeugen können, das bisher nicht vollständig realisiert wurde“, sagte Aldo Spatafora-Salazar, ein Chemiker und Biomolekularwissenschaftler Ingenieurwissenschaftlicher Wissenschaftler im Biswal-Labor und einer der Hauptautoren einer Studie über diese Forschung veröffentlicht In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Dana Lobmeyer, die andere Erstautorin der Studie, erklärte, dass die in der Studie untersuchten Partikel zusammenfassend als superparamagnetische Kolloide bezeichnet werden, deren Reaktionsfähigkeit auf Magnetfelder sie zu einem beliebten Baustein für Hochleistungsmaterialien mit maßgeschneiderter Funktionalität macht.

„Diese Entdeckung ist für das Bottom-up-Design fortschrittlicher Materialien von Bedeutung, insbesondere weil wir uns auf einen Aspekt der Wechselwirkung zwischen den Kolloiden und Magnetfeldern konzentriert haben, der normalerweise übersehen wird – die magnetische Relaxationszeit“, sagte Lobmeyer, eine von Biswal beratene Rice-Doktorandin .

Die Relaxationszeit bezieht sich auf die Verzögerung der magnetischen Reaktion der Perlen auf Änderungen der Feldrichtung. Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass diese Verzögerung in Kombination mit der Wirkung des magnetischen Wechselfelds die Wechselwirkungen der Perlen beeinflusst und dazu führt, dass sie sich in zwei Dimensionen zu einem Kristallgitter anordnen und in drei Dimensionen längliche, ausgerichtete Cluster bilden.

„Die verzögerte magnetische Reaktion oder magnetische Relaxationszeit superparamagnetischer Perlen wurde bisher als vernachlässigbar angesehen, aber wir haben herausgefunden, dass ihre Berücksichtigung und Kopplung mit der Wirkung des magnetischen Wechselfelds eine wirkungsvolle Möglichkeit ist, eine präzise Kontrolle über die Teilchen auszuüben.“ „, sagte Biswal, korrespondierender Autor der Studie und William M. McCardell-Professor für Chemieingenieurwesen bei Rice, Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik und stellvertretender Dekan für Fakultätsentwicklung.

Die Forschung umfasste eine Kombination aus Experimenten, Simulationen und theoretischen Vorhersagen. Experimentell untersuchte das Team sowohl konzentrierte als auch verdünnte Perlensuspensionen in Kombination mit magnetischen Wechselfeldern unterschiedlicher Intensität und Frequenz.

„Konzentrierte Perlen bildeten längliche, ausgerichtete Cluster und wir analysierten, wie verschiedene Parameter ihre Form beeinflussten“, sagte Spatafora-Salazar. „Verdünnte Suspensionen vereinfachten das System und ermöglichten uns die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen zwei Perlen – einer Version des Systems, die als Dimer bekannt ist.“

Experimentelle Erkenntnisse aus Dimeren halfen dabei, die Ausrichtung und Verlängerung in größeren Clustern zu erklären. Allerdings stimmten die experimentellen Daten nur dann mit den Simulationen überein, wenn die Messungen der magnetischen Relaxationszeit (die Gegenstand einer separaten, bevorstehenden Studie sind) berücksichtigt wurden.

Eine lustige Wendung der Daten war die Pac-Man-Form, die durch die Verteilung der Magnetisierung einer Perle beschrieben wurde: Im magnetisierten Zustand erhält jede Perle einen Dipol – ein Paar negativer und positiver Ladungen wie eine Nord-Süd-Achse.

Als Reaktion auf ein rotierendes Magnetfeld bewegt sich der Dipol wie eine Kompassnadel und richtet alle Perlen in derselben Ausrichtung aus. Aufgrund der magnetischen Entspannung dreht sich die Nadel jedoch nicht um volle 360 ​​Grad, so dass etwas zurückbleibt, das bei der Kartierung der Daten als Pac-Mans Mund erscheint.

„Entlang des Mundes sind die Wechselwirkungen am schwächsten, am Kopf jedoch am stärksten, was zur Ausrichtung von Dimeren und Clustern führt“, sagte Lobmeyer. „Wir hätten dieses Phänomen nicht verstehen können, wenn wir nicht von den traditionellen Annahmen zur Untersuchung dieser Perlen abgewichen wären.“