Les particules plus grosses que les molécules ou les atomes ordinaires, mais qui restent invisibles à l’œil nu, peuvent former diverses structures utiles, notamment des hélices miniatures pour microrobots, des sondes cellulaires et des microroues orientables conçues pour l’administration ciblée de médicaments.
L’équipe d’ingénieurs chimistes de Lisa Biswal à l’Université Rice a découvert que l’exposition d’une certaine classe de telles particules (des billes de la taille d’un micron dotées d’une sensibilité magnétique particulière) à un champ magnétique tournant rapidement en alternance les amène à s’organiser en structures qui dépendent de la direction. ou anisotrope. Cette découverte est importante car l’anisotropie peut être ajustée pour développer de nouvelles structures et propriétés matérielles personnalisables.
« Notre principale découverte est qu’en alternant le sens de rotation du champ magnétique après chaque révolution, nous pouvons créer un potentiel d’interaction anisotrope entre les particules, ce qui n’a pas été pleinement réalisé auparavant », a déclaré Aldo Spatafora-Salazar, chercheur en chimie et biomoléculaire. chercheur en ingénierie au laboratoire Biswal et l’un des principaux auteurs d’une étude sur la recherche publié dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
Dana Lobmeyer, l’autre premier auteur de l’étude, a expliqué que les particules examinées dans l’étude sont collectivement connues sous le nom de colloïdes superparamagnétiques dont la réactivité aux champs magnétiques en fait un élément de base populaire pour les matériaux hautes performances dotés de fonctionnalités sur mesure.
« Cette découverte est importante pour la conception ascendante de matériaux avancés, en particulier parce que nous nous sommes concentrés sur un aspect de l’interaction entre les colloïdes et les champs magnétiques qui est généralement négligé : le temps de relaxation magnétique », a déclaré Lobmeyer, ancien étudiant au doctorat de Rice conseillé par Biswal. .
Le temps de relaxation fait référence au retard de la réponse magnétique des billes aux changements de direction du champ. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que ce retard combiné à l’effet du champ magnétique alternatif affecte les interactions des billes, les amenant à s’organiser en un réseau cristallin en deux dimensions et à former des amas allongés et alignés en trois dimensions.
« La réponse magnétique retardée, ou temps de relaxation magnétique, des billes superparamagnétiques était auparavant considérée comme négligeable, mais nous avons découvert que la prendre en compte et la coupler avec l’effet du champ magnétique alternatif constitue un moyen puissant d’exercer un contrôle précis sur la particules », a déclaré Biswal, l’auteur correspondant de l’étude et professeur William M. McCardell de génie chimique de Rice, professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie et doyen associé principal pour le développement du corps professoral.
La recherche impliquait une combinaison d’expériences, de simulations et de prédictions théoriques. Expérimentalement, l’équipe a examiné des suspensions de billes concentrées et diluées combinées à des champs magnétiques alternés de différentes intensités et fréquences.
« Les billes concentrées formaient des grappes allongées et alignées, et nous avons analysé comment différents paramètres influençaient leur forme », a déclaré Spatafora-Salazar. « Les suspensions diluées ont simplifié le système, nous permettant d’étudier les interactions entre deux billes, une version du système connue sous le nom de dimère. »
Les connaissances expérimentales issues des dimères ont aidé à expliquer l’alignement et l’allongement dans des amas plus grands. Cependant, les données expérimentales ne correspondent aux simulations qu’une fois que les mesures du temps de relaxation magnétique (qui font l’objet d’une étude distincte à venir) ont été prises en compte.
Une variante amusante des données était la forme de Pac-Man décrite par la distribution de l’aimantation d’une perle : dans un état magnétisé, chaque perle acquiert un dipôle, une paire de charges négatives et positives comme un axe nord-sud.
En réponse à un champ magnétique tournant, le dipôle se déplace comme l’aiguille d’une boussole, alignant toutes les billes selon la même orientation. Cependant, en raison de la relaxation magnétique, l’aiguille ne tourne pas à 360 degrés, laissant apparaître ce qui apparaît comme la bouche de Pac-Man lorsque les données sont cartographiées.
« Les interactions sont les plus faibles le long de la bouche mais les plus fortes le long de la tête, provoquant l’alignement des dimères et des amas », a déclaré Lobmeyer. « Nous n’aurions pas pu comprendre ce phénomène sans nous écarter des hypothèses traditionnelles utilisées pour étudier ces perles. »
Plus d’informations :
Aldo Spatafora-Salazar et al, Amas colloïdaux alignés dans un champ magnétique rotatif alternatif élucidé par relaxation magnétique, Actes de l’Académie nationale des sciences (2024). DOI : 10.1073/pnas.2404145121