比普通分子或原子更大但又小到肉眼無法看見的粒子可以形成各種有用的結構，例如微型機器人的微型推進器、細胞探針以及用於靶向給藥的可轉向微輪。萊斯大學（Rice University）的科學家發現，旋轉磁場操縱的磁性粒子可以組織成各向異性的結構，因此有可能改變材料的設計。

磁膠體偶極軌道表示法（左）類似吃豆人（右）的形狀。 資料來源：Biswal 實驗室/萊斯大學

現在，由麗莎-比斯瓦爾（Lisa Biswal）領導的萊斯大學化學工程師團隊發現，將一類特殊的顆粒–具有特殊磁敏感性的微米大小的珠子–暴露在快速交替旋轉的磁場中，會使它們組織成與方向有關的結構或各向異性結構。 這項發現意義重大，因為各向異性可以透過操作來創造新的、可調整的材料結構和特性。

團簇形成（左）和團簇排列（右）的顯微影像。 資料來源：Biswal 實驗室/萊斯大學

比斯瓦爾實驗室的化學與生物分子工程研究科學家、該研究的主要作者之一阿爾多-斯帕塔福拉-薩拉查（Aldo Spatafora-Salazar）說：”我們的主要發現是，透過在每次旋轉後交替改變磁場的旋轉方向，我們可以在粒子之間創造出一種各向異性的相互作用勢能，這在以前還沒有完全實現過，”《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）發表了他的研究報告。

該研究的另一位第一作者丹娜-洛布邁耶解釋說，研究中仔細觀察的顆粒統稱為超順磁性膠體，它們對磁場的響應性使其成為具有定制功能的高性能材料的常用構件。

Dana Lobmeyer（左起）、Lisa Biswal 和Aldo Spatafora-Salazar。 圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

「這項發現對自下而上的先進材料設計意義重大，尤其是因為我們發現了膠體與磁場之間相互作用的一個通常被忽視的方面–磁弛豫時間，」萊斯大學博士校友、 Biswal 的顧問Lobmeyer 說。

弛豫時間指的是磁珠對磁場方向變化的磁響應延遲。研究人員假設，這種延遲加上交變磁場的作用會影響磁珠的相互作用，使它們在二維空間排列成晶格，並在三維空間形成拉長、排列整齊的磁簇。

「該研究的通訊作者、萊斯大學化學工程威廉-麥卡戴爾教授、材料科學與奈米工程教授兼負責教師發展的高級副院長比斯瓦爾說：『超順磁性磁珠的延遲磁響應或磁弛豫時間以前被認為是可以忽略不計的，但我們發現，將其考慮在內並與交變磁場效應相結合，是對粒子進行精確控制的一種強有力的方法。

Dana Lobmeyer（左）和Aldo Spatafora-Salazar。 圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

研究結合了實驗、模擬和理論預測。 在實驗中，研究團隊觀察了與不同強度和頻率的交變磁場相結合的濃縮和稀釋磁珠懸浮液。

Spatafora-Salazar 說：”濃縮磁珠形成了拉長、排列整齊的磁團，我們分析了不同參數如何影響它們的形狀。稀釋懸浮液簡​​化了系統，使我們能夠研究兩顆珠子之間的相互作用–該系統的一個版本稱為二聚體。

從二聚體中獲得的實驗啟示有助於解釋較大聚團中的排列和伸長。 然而，只有在考慮了磁弛豫時間測量（這是即將進行的另一項研究的主題）之後，實驗數據才與模擬數據相符。

資料的一個有趣轉折是磁珠磁化分佈所描述的”吃豆人”形狀： 在磁化狀態下，每顆珠子都有一個偶極子–一對負電荷和正電荷，就像一條南北軸。 在旋轉磁場的作用下，偶極子會像羅盤針一樣移動，使所有磁珠沿著相同的方向排列。 然而，由於磁場弛豫，指針並不能旋轉360 度，因此在繪製數據時會顯示出吃豆人的嘴巴。

洛布邁爾說：”沿著嘴部的相互作用最弱，而沿著頭部的相互作用最強，這導致了二聚體和團塊的排列。如果不偏離用於研究這些珠子的傳統假設，我們就無法理解這現象。

編譯自/ scitechdaily