显微镜下的吃豆人：研究人员揭开磁性粒子的隐秘世界

比普通分子或原子更大但又小到肉眼无法看见的粒子可以形成各种有用的结构，例如微型机器人的微型推进器、细胞探针以及用于靶向给药的可转向微轮。莱斯大学（Rice University）的科学家发现，旋转磁场操纵的磁性粒子可以组织成各向异性的结构，从而有可能改变材料的设计。

磁胶体偶极轨道表示法（左）类似于吃豆人（右）的形状。 资料来源：Biswal 实验室/莱斯大学

现在，由丽莎-比斯瓦尔（Lisa Biswal）领导的莱斯大学化学工程师团队发现，将一类特殊的颗粒--具有特殊磁敏感性的微米大小的珠子--暴露在快速交替旋转的磁场中，会使它们组织成与方向有关的结构或各向异性结构。 这一发现意义重大，因为各向异性可以通过操作来创造新的、可调整的材料结构和特性。

团簇形成（左）和团簇排列（右）的显微图像。 资料来源：Biswal 实验室/莱斯大学

比斯瓦尔实验室的化学与生物分子工程研究科学家、该研究的主要作者之一阿尔多-斯帕塔福拉-萨拉查（Aldo Spatafora-Salazar）说："我们的主要发现是，通过在每次旋转后交替改变磁场的旋转方向，我们可以在粒子之间创造出一种各向异性的相互作用势能，这在以前还没有完全实现过，"《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）发表了他的研究报告。

该研究的另一位第一作者丹娜-洛布迈耶解释说，研究中仔细观察的颗粒统称为超顺磁性胶体，它们对磁场的响应性使其成为具有定制功能的高性能材料的常用构件。

Dana Lobmeyer（左起）、Lisa Biswal 和 Aldo Spatafora-Salazar。 图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

“这一发现对自下而上的先进材料设计意义重大，尤其是因为我们发现了胶体与磁场之间相互作用的一个通常被忽视的方面--磁弛豫时间，"莱斯大学博士校友、Biswal 的顾问 Lobmeyer 说。

弛豫时间指的是磁珠对磁场方向变化的磁响应延迟。研究人员假设，这种延迟加上交变磁场的作用会影响磁珠的相互作用，使它们在二维空间排列成晶格，并在三维空间形成拉长、排列整齐的磁簇。

“该研究的通讯作者、莱斯大学化学工程威廉-麦卡戴尔教授、材料科学与纳米工程教授兼负责教师发展的高级副院长比斯瓦尔说："超顺磁性磁珠的延迟磁响应或磁弛豫时间以前被认为是可以忽略不计的，但我们发现，将其考虑在内并与交变磁场效应相结合，是对粒子进行精确控制的一种强有力的方法。

Dana Lobmeyer（左）和 Aldo Spatafora-Salazar。 图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学

研究结合了实验、模拟和理论预测。 在实验中，研究小组观察了与不同强度和频率的交变磁场相结合的浓缩和稀释磁珠悬浮液。

Spatafora-Salazar 说："浓缩磁珠形成了拉长、排列整齐的磁团，我们分析了不同参数如何影响它们的形状。稀释悬浮液简化了系统，使我们能够研究两颗珠子之间的相互作用--该系统的一个版本被称为二聚体。"

从二聚体中获得的实验启示有助于解释较大聚团中的排列和伸长。 然而，只有在考虑了磁弛豫时间测量（这是即将进行的另一项研究的主题）之后，实验数据才与模拟数据相吻合。

数据的一个有趣转折是磁珠磁化分布所描述的"吃豆人"形状： 在磁化状态下，每颗珠子都有一个偶极子--一对负电荷和正电荷，就像一条南北轴。 在旋转磁场的作用下，偶极子会像罗盘针一样移动，使所有磁珠沿着相同的方向排列。 然而，由于磁场弛豫，指针并不能旋转 360 度，因此在绘制数据时会显示出吃豆人的嘴巴。

洛布迈尔说："沿着嘴部的相互作用最弱，而沿着头部的相互作用最强，这导致了二聚体和团块的排列。如果不偏离用于研究这些珠子的传统假设，我们就无法理解这一现象。"

编译自/scitechdaily