作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 自组装实验
(一)将嵌有永久磁铁的3D印刷聚合物物体插入一个向上流动的透明圆柱体中
气流抵消了物体的下落速度，气流的湍流提供了一个扰动力
锥形透明插入物用于提供流速梯度，确保物体悬浮在摄像机前
(二)球形物体形成线性链
当八个球体插入流中时，最稳定的构型是圆，其能量比线性链(C)低10%
摄影学分:L
阿贝尔曼(萨尔州大学和特温特大学)
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aba2007 在材料科学中，永磁体的偶极力之间的相互作用可以导致形成一维链和环
在《科学进展》的一份新报告中，莱昂·阿贝尔曼和萨尔兰大学、特温特大学和德国及荷兰代尔夫特理工大学的一个电子元件、技术和材料研究小组研究了通过将偶极子封装在特定形状的外壳中，使其能够自组装成三维结构的可能性
当平行态和反平行态的偶极能量相等时，研究小组意识到了三维晶体中这种自组装的条件
他们使用圆柱体和长方体形成了最规则的结构，简单的设计规则帮助微米范围内的物体形成三维晶体，为迄今为止未知的超材料工程开辟了道路
晶体生长是自组装的一种形式，其中单个物体可以排列成具有广泛技术影响的规则阵列，从硅单晶到蛋白质衍射研究
晶体生长的过程从成核开始，从明确定义的模板或随机缺陷开始，或在空间自发进行
该小组在这项工作中侧重于后一种形成机制
宏观尺度(原子和分子之外)晶体的形成目前正受到越来越多的关注，因为它有望形成具有新功能的超材料
研究人员此前曾观察到包括光子晶体在内的二氧化硅或聚合物球体复杂的晶体生长
这种过程依靠溶剂蒸发，在溶剂流动的辅助下，将组分带到彼此附近，尽管这一过程也可能是由沉降驱动的——导致结构紧密堆积
在这项工作中，阿贝尔曼等人
研究了在永磁偶极力作用下自组装晶体的可能性
该小组用嵌在不同形状的聚合物外壳中的毫米级永磁体进行了实验
然后，他们将物体浸入水中，用向上的水流平衡重力，以保持物体在摄像机的视野内
流动中可调节的湍流产生扰动力，为物体提供随机动能，类似布朗运动
永久球形偶极子之间的相互作用导致了链的形成，八个偶极子可以组装成一个环，这是一个众所周知的机制
偶极力首先将球体组织成一条线，当有三个以上的球体时，研究小组观察到系统达到较低的能量状态，将线闭合成一个环
他们注意到，在八个球体的情况下，大量的能量增加，使得环容易形成并保持完整
八个球体、圆柱体和具有三种不同纵横比的球体的视频记录
完整视频见信贷:科学进步，doi: 10
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aba2007 Abelmann等人
使用聚合物外壳的形状来改变不同取向的偶极子之间的距离
科学家们拉长了外壳，以增加偶极中心之间的距离，从而获得二维板状结构
如果平行态和反平行态之间的能量相等，新到达的偶极子排列相似，形成三维结构
该团队演示了形成八个球体、圆柱体和长方体的策略，并为所有形状的反平行和平行状态选择了40 J的能量差
当他们反转平行态和反平行态之间的能量差，使得反平行态表现出较低的能量时，他们注意到了圆柱的清晰板结构和球状体的不规则结构
然而，当两种能量相等时，阿贝尔曼等人
观察圆柱体形成三维簇
因此，假设没有平行或反平行排列的偏好，实验装置可以基于偶极力自组装三维结构
此外，长方体组件相对稳定的附着导致磁通闭合，阻止进一步生长，而球状体形成类似于先前模拟中预测的复杂双环结构
偶极子的三维自组装
(一)等间距偶极子更喜欢平行排列(黑色箭头)
通过拉长偶极子周围的壳的形状，我们可以支持反平行结构，这样物体的板就可以组装起来
当平行和反平行结构的能量完全相等时，我们期待三维晶体
(二)这种策略最适用于圆柱形物体
从左到右，我们改变了形状，使得平行构型的能量是反平行构型的两倍(左)、一半(中间)和完全相等(右)
红色圆圈内的圆柱体组件(中间一行)是一个规则的3D 2×2×2簇
第二行的圆柱形物体再现了(A)的板块预测
球体(顶行)和立方体(底行)在第一列中显示出线状结构，但是当它们的形状被调整时表现出更复杂的行为
学分:科学进步，doi: 10
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aba2007 球体的结构也在一起停留了几分钟，比几秒钟后分解成部分的圆柱体和立方体要长得多
例如，在实验过程中，球体的环状结构分裂成一条链，但不到一分钟就重新连接成一个环
Abelmann等人
将球体结构更高的稳定性归功于它们不需要立即增加距离就能错位的能力——从而减小磁体之间的力
与具有多个键的板或晶体相比，由于单键，链结构更容易断裂
圆柱体和立方体也可以组装成长的刚性链，在频繁接触反应器壁时断裂
根据研究中调查的形状，圆柱体似乎最适合自组装成明确的三维结构，因为额外的实验表明，球状体没有相对自组装形成规则的晶体
圆柱体和长方体的簇可以分裂成更小的簇，然后重新排列形成更规则的晶体
由于剪切力的增加，更大组件的解体更频繁地发生
这种效应也可能被湍流中的能量放大，尽管尚不清楚这种效应是湍流驱动自组装的典型效应还是由其他实验因素引起的
Abelmann等人
我打算通过改变物体的绝对大小来进一步研究这一现象，从而找到答案
球体、圆柱体和球体的视频记录，具有用于平行和反平行对齐的平衡能量，具有8、12和16个对象
学分:科学进步，doi: 10
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aba2007 通过这种方式，莱昂·阿贝尔曼和他的同事们通过实验证明了三维结构在偶极力的作用下自组装的能力，前提是没有平行或反平行排列的偏好
科学家们通过物体特定形状引发的空间相互作用来平衡偶极力，从而实现了这一点
他们选择了圆柱形，因为这似乎是一个很好的折衷方案，有助于获得规则的晶体
这些实验也与分子动力学模拟一致，在分子动力学模拟中，球形比立方体更容易形成大的团簇，而偶极相互作用会干扰立方体的晶体形成
该结果鼓励使用永磁偶极子在微米尺度上进行晶体自组装实验
基于这些结果，材料科学家将能够设想令人兴奋的超材料，如人工反铁磁材料、压磁材料和三维磁性环芯存储器
偶极之间的力相对于偶极的大小没有变化，而它们作为磁偶极或电偶极的起源没有实验效果，因此阿贝尔曼等人
打算概括微米级三维装配的实验结果
其结果将导致光子晶体、超材料、三维电子或存储器的形成
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