p Na ciência dos materiais, as interações entre as forças dipolares de ímãs permanentes podem levar à formação de cadeias e anéis unidimensionais. Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , Leon Abelmann e uma equipe de pesquisa em componentes eletrônicos, tecnologia e materiais na Universidade de Saarland, A University of Twente e a Delft University of Technology na Alemanha e Holanda investigaram a possibilidade de permitir que os dipolos se automontem em estruturas 3-D, encapsulando-os em uma concha com uma forma específica. A equipe percebeu as condições para tal automontagem em um cristal 3-D quando as energias do dipolo nos estados paralelo e antiparalelo eram iguais. Eles formaram as estruturas mais regulares usando cilindros e cubóides, e a regra de design simples ajudou a formar cristais 3-D de objetos na faixa de mícrons, abrindo o caminho para a engenharia de metamateriais até então desconhecidos. p O crescimento do cristal é uma versão de automontagem em que objetos individuais podem ser organizados em matrizes regulares com amplo impacto técnico, variando de monocristais de silício a estudos de difração em proteínas. O processo de crescimento do cristal começa com nucleação, começando em modelos bem definidos ou em imperfeições aleatórias, ou espontaneamente no espaço. A equipe se concentrou neste último mecanismo de formação neste trabalho. A formação de cristais em macroescala (além de átomos e moléculas) está recebendo atenção crescente devido à sua promessa de formar metamateriais com novas funcionalidades. Os pesquisadores já haviam observado o crescimento intrincado de cristais de esferas de sílica ou polímero, incluindo cristais fotônicos. Esses processos dependiam da evaporação do solvente para trazer os componentes para a vizinhança uns dos outros, assistido por fluxo de solvente, embora o processo também possa ser conduzido por sedimentação - levando a estruturas compactadas.

p Nesse trabalho, Abelmann et al. estudou a possibilidade de cristais de automontagem sob forças dipolares magnéticas permanentes. A equipe conduziu experimentos com ímãs permanentes de tamanho milimétrico embutidos em uma concha de polímero de formatos variados. Eles então submergiram o objeto na água e contrabalançaram as forças gravitacionais com um fluxo de água ascendente para manter os objetos no campo de visão da câmera. A turbulência ajustável no fluxo criou forças perturbadoras para fornecer energia cinética estocástica aos objetos, semelhante ao movimento browniano. As interações entre os dipolos esféricos permanentes resultaram na formação de cadeias, e oito dipolos poderiam se reunir para formar um anel, em um mecanismo bem compreendido. As forças dipolares primeiro organizaram as esferas em uma linha, e com mais de três esferas a equipe observou o sistema atingir um estado de energia mais baixo para fechar a linha em um anel. Eles notaram um ganho de energia substancial no caso de oito esferas, permitindo que os anéis se formem facilmente e permaneçam intactos.

p Abelmann et al. usou a forma da concha de polímero para alterar a distância entre dipolos para diversas orientações. Os cientistas alongaram a concha para aumentar a distância entre os centros dipolo e obter estruturas semelhantes a placas 2-D. Se as energias entre os estados paralelo e anti-paralelo fossem iguais, os dipolos recém-chegados se alinham de maneira semelhante para formar estruturas 3-D. A equipe demonstrou a estratégia para formar oito esferóides, cilindros e cubóides e escolheu uma diferença de energia de 40 µJ para os estados antiparalelo e paralelo para todas as formas. Quando eles inverteram a diferença de energia entre os estados paralelo e antiparalelo, de modo que o estado antiparalelo demonstrou a energia mais baixa, eles notaram estruturas de placas claras para cilindros e estruturas irregulares para esferóides. Contudo, quando ambas as energias eram iguais, Abelmann et al. observou os cilindros para formar aglomerados 3-D. Portanto, desde que não houvesse preferência por alinhamento paralelo ou antiparalelo, a configuração experimental pode auto-montar estruturas 3-D com base em forças dipolares. Além disso, acessórios relativamente estáveis ​​dos conjuntos cubóide levaram ao fechamento do fluxo magnético que proibiu o crescimento posterior, enquanto os esferóides formaram estruturas complexas de anel duplo semelhantes às previstas em simulações anteriores.

p A estrutura dos esferóides também permaneceu unida por vários minutos, muito mais longo do que cilindros e cubos que se desintegram em partes após alguns segundos. Por exemplo, durante os experimentos, a estrutura do anel de esferas se separou para formar uma corrente, mas depois se reconectou em um anel em menos de um minuto. Abelmann et al. creditaram a maior estabilidade das estruturas esferóides à sua capacidade de desalinhar sem aumentar imediatamente sua distância - diminuindo assim a força entre os ímãs. Estruturas de cadeia quebram mais facilmente devido a ligações simples em comparação com placas ou cristais com ligações múltiplas. Cilindros e cubos também podem se reunir para formar longas cadeias rígidas que se quebram ao contato frequente com as paredes do reator.

p Com base nas formas investigadas no estudo, os cilindros pareciam mais adequados para se automontar em estruturas 3-D bem definidas, uma vez que experimentos adicionais mostraram que os esferóides não se automontavam comparativamente para formar cristais regulares. Aglomerados de cilindros e cubóides podem se dividir em aglomerados menores e se realinhar para formar cristais mais regulares. A desintegração de conjuntos maiores ocorreu com mais frequência devido ao aumento das forças de cisalhamento. O efeito também pode ser amplificado pela energia no fluxo turbulento, embora não se saiba se o efeito foi típico para automontagem turbulenta ou induzido por outros fatores experimentais. Abelmann et al. pretendem encontrar respostas estudando mais o fenômeno, alterando o tamanho absoluto dos objetos.

p Desta maneira, Leon Abelmann e colegas demonstraram experimentalmente a capacidade de estruturas 3-D se automontarem a partir de forças dipolares, desde que não houvesse preferência por alinhamento paralelo ou antiparalelo. Os cientistas conseguiram isso equilibrando as forças dipolares por meio de interações estéricas induzidas pela forma específica do objeto. Eles selecionaram a forma cilíndrica, pois parecia ser um bom compromisso para ajudar a obter cristais regulares. Os experimentos também concordaram com simulações de dinâmica molecular, onde formas esféricas eram mais propensas a formar grandes aglomerados do que cubos, enquanto as interações dipolares perturbaram a formação de cristais de cubos.

p Os resultados encorajam experimentos sobre a automontagem de cristais em microescala usando dipolos magnéticos permanentes. Com base nos resultados, os cientistas de materiais serão capazes de imaginar metamateriais interessantes, como antiferromagnetos artificiais, materiais piezomagnéticos e memórias 3-D magnéticas de núcleo em anel. A força entre os dipolos não mudou em relação ao tamanho dos dipolos, enquanto sua origem como dipolos magnéticos ou elétricos não teve efeito experimental, portanto, Abelmann et al. pretendem generalizar os resultados experimentais para montagem 3-D na escala de mícron. Os resultados levarão à formação de cristais fotônicos, supermateriais, Eletrônica 3-D ou memórias. p © 2020 Science X Network