نانومواد

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی

 

 

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی
آزمایش خودآرایی. (A) اشیا پلیمری چاپ شده سه بعدی با آهن ربا های دائمی تعبیه شده در یک استوانه شفاف با جریان رو به بالا قرار گرفتند. جریان با سرعت افت اشیاera مقابله می کند و تلاطم جریان نیرویی را ایجاد می کند. از یک درج شفاف مخروطی برای ایجاد شیب در سرعت جریان استفاده شده است ، که اطمینان حاصل می کند که اجسام در مقابل دوربین های فیلم برداری قرار دارند. (ب) اجسام کروی زنجیره های خطی تشکیل می دهند. وقتی هشت کره در جریان قرار می گیرند ، پایدارترین پیکربندی یک دایره است که ۱۰٪ انرژی کمتری نسبت به یک زنجیره خطی (C) دارد. اعتبار عکس: L. Abelmann (دانشگاه Saarland و دانشگاه Twente). اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba2007

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی در علم مواد ، فعل و انفعالات بین نیروهای دو قطبی آهنرباهای دائمی می تواند منجر به تشکیل زنجیره ها و حلقه های یک بعدی شود. در گزارش جدیدی در مورد پیشرفتهای علمی ، لئون ابلمن و یک تیم تحقیقاتی در زمینه قطعات الکترونیکی ، فناوری و مواد در دانشگاه سارلند ، دانشگاه توئنته و دانشگاه صنعتی دلفت در آلمان و هلند امکان اجازه دو قطبی برای جمع آوری خود به ساختارهای ۳ بعدی با محصور سازی آنها در پوسته ای از یک شکل خاص. تیم هنگامی که انرژی دو قطبی در حالت های موازی و ضد موازی برابر بود ، شرایط چنین مونتاژ خود را در یک کریستال ۳ بعدی درک کردند. آنها با استفاده از سیلندرها و مکعب ها منظم ترین ساختارها را تشکیل دادند و قانون ساده طراحی به تشکیل بلورهای ۳ بعدی از اجسام در محدوده میکرون کمک کرد و راه را برای مهندسی فراموادی که تا آن زمان ناشناخته بود ، باز کرد.

رشد کریستال یک نسخه خودآرایی است که در آن اشیا individual منفرد را می توان به صورت آرایه های منظم و دارای تأثیر فنی گسترده ، از بلورهای تک سیلیکونی تا مطالعات پراش پروتئین ها . روند رشد کریستال با هسته سازی شروع می شود ، از الگوهای خوب تعریف شده یا در مورد نقص تصادفی ، یا خود به خود در فضا . تیم بر روی سازوکار دوم شکل گیری در این کار تمرکز کرد. تشکیل کریستالها در مقیاس کلان (فراتر از اتمها و مولکول ها) در حال حاضر با افزایش href=”https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359029418300815 “> افزایش توجه به دلیل قول خود برای فرامادها را تشکیل دهید با ویژگی های جدید. محققان قبلاً رشد کریستالهای پیچیده از حوزه های سیلیس یا پلیمر از جمله بلورهای فوتونیک را مشاهده کرده بودند. چنین فرآیندهایی متکی به تبخیر حلال بود تا اجزای موجود را به مجاورت یکدیگر بیاورد و با کمک جریان حلال ، اگرچه این فرایند همچنین می تواند توسط رسوب گذاری هدایت شود – منجر به ساختارهای بسته بندی شده .

در این کار ، Abelmann و همکاران. امکان کریستالهای مونتاژ خود تحت نیروهای دو قطبی مغناطیسی دائمی را مطالعه کرد. این تیم آزمایش هایی را با آهن ربا های دائمی به اندازه میلی متر که در یک پوسته پلیمری با اشکال مختلف جاسازی شده انجام داده اند. آنها سپس جسم را در آب غوطه ور کردند و نیروهای گرانشی را با جریان آب رو به بالا متعادل کردند تا اشیا in را در میدان دید دوربین حفظ کنند. تلاطم قابل تنظیم در جریان ، نیروهای نگران کننده ای را ایجاد می کند تا انرژی حرکتی تصادفی را به اشیا ، شبیه حرکت براونی . فعل و انفعالات بین دو قطبی کروی دائمی منجر به تشکیل زنجیره ها می شود و هشت دو قطبی می توانند برای تشکیل یک حلقه در یک مکانیزم کاملاً شناخته شده . نیروهای دوقطبی ابتدا کره ها را به صورت یک خط سازماندهی کردند و با بیش از سه کره ، تیم مشاهده کرد که سیستم به حالت انرژی پایین تری می رسد تا خط را به حلقه ببندد. آنها به دست آوردن انرژی قابل توجه در مورد هشت کره اشاره کردند که باعث می شود حلقه ها به راحتی تشکیل شوند و سالم بمانند.

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی
ضبط ویدئو از هشت کره ، استوانه و کروی با سه نسبت مختلف. برای دیدن ویدئو کامل به اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba2007 مراجعه کنید

آبلمن و همکاران از شکل پوسته پلیمر برای تغییر فاصله بین دو قطبی برای جهت گیری های مختلف استفاده کرد. دانشمندان پوسته را برای افزایش فاصله بین مراکز دو قطبی برای به دست آوردن ساختارهای صفحه ای دو بعدی افزایش دادند. اگر انرژی بین حالت های موازی و ضد موازی برابر باشد ، دو قطبی تازه وارد به طور مشابه تراز می شوند و ساختارهای ۳-D را تشکیل می دهند. این تیم استراتژی تشکیل هشت کره ، استوانه و مکعب را به نمایش گذاشت و اختلاف انرژی ۴۰ میکرولیتر را برای حالت های ضد موازی و موازی برای همه اشکال انتخاب کرد. هنگامی که آنها اختلاف انرژی بین حالتهای موازی و ضد موازی را معکوس کردند ، به طوری که حالت ضد موازی انرژی کمتری را نشان می دهد ، آنها متوجه شدند ساختارهای صفحه صاف برای سیلندرها و ساختارهای نامنظم برای اسفروئیدها. با این حال ، وقتی هر دو انرژی برابر بودند ، Abelmann و همکاران مشاهده سیلندر به شکل خوشه های ۳-D. بنابراین ، به شرطی که هیچ ترجیحی برای ترازی موازی یا ضد موازی وجود نداشته باشد ، تنظیمات آزمایشی می تواند ساختارهای ۳-D را بر اساس نیروهای دو قطبی به صورت خود جمع کند. علاوه بر این ، اتصالات نسبتاً پایدار مجموعه های مکعبی منجر به بسته شدن شار مغناطیسی شد که رشد بیشتر را ممنوع می کند ، در حالی که اسفروئیدها ساختارهای پیچیده دو حلقه ای شبیه به آنچه پیش بینی شده در شبیه سازی های قبلی .

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی
۳-D خود مونتاژ دو قطبی. (الف) دو قطبی هایی که به همان اندازه فاصله دارند تراز موازی را ترجیح می دهند (فلش های سیاه). با کشیدن شکل پوسته در اطراف دو قطبی ، می توانیم از پیکربندی ضد موازی استفاده کنیم ، بنابراین صفحات اشیا جمع می شوند. وقتی انرژی پیکربندی موازی و ضد موازی دقیقاً برابر باشد ، انتظار کریستال های سه بعدی را داریم. (B) این استراتژی برای اشیا cyl استوانه ای بهترین عملکرد را دارد. از چپ به راست ، شکل را متنوع کردیم تا انرژی پیکربندی موازی دو برابر (چپ) ، نصف (مرکز) و دقیقاً برابر (راست) با پیکربندی ضد موازی باشد. مجموعه سیلندرهای محاصره شده قرمز (ردیف میانی) یک خوشه ۳ بعدی ۲ در ۲ در ۲ است. اجسام استوانه ای در ردیف دوم پیش بینی صفحه (A) را تولید می کنند. اسفروئیدها (ردیف بالا) و مکعب ها (ردیف پایین) ساختارهای خط را در ستون اول به نمایش می گذارند اما هنگام تنظیم شکل آنها رفتار پیچیده تری دارند. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba2007

ساختار اسفروئیدها نیز برای چند دقیقه در کنار هم ماندند ، بسیار بیشتر از استوانه ها و مکعب هایی که پس از چند ثانیه به قطعات متلاشی شدند. به عنوان مثال ، در طول آزمایشات ، ساختار حلقه کره ها از هم جدا شد و زنجیره ای را تشکیل داد اما در کمتر از یک دقیقه دوباره به یک حلقه متصل شد. آبلمن و همکاران پایداری بالاتر ساختارهای کروی به توانایی آنها در عدم انطباق بدون افزایش فوری فاصله آنها مربوط می شود – در نتیجه باعث کاهش نیروی بین آهن ربا می شود. ساختارهای زنجیره ای به دلیل تک پیوندها در مقایسه با صفحات یا بلورهای دارای پیوندهای چندگانه راحت تر شکستند. سیلندرها و مکعب ها همچنین می توانند به هم متصل شوند و زنجیره های سفت و سختی را ایجاد کنند که در اثر تماس مکرر با دیواره های راکتور قطع می شوند.

بر اساس اشکال بررسی شده در این مطالعه ، سیلندرها برای جمع آوری خود به ساختارهای ۳-D کاملاً مناسب از نظر آزمایشات اضافی نشان دادند که اسفروئیدها نسبتاً خود جمع نمی شوند و بلورهای منظمی را تشکیل نمی دهند. خوشه های استوانه ها و مکعب ها می توانند به صورت خوشه های کوچکتر درآیند و مجدداً قرار بگیرند و بلورهای منظم تری تشکیل دهند. متلاشی شدن مجامع بزرگتر به دلیل افزایش نیروهای برشی بیشتر اتفاق می افتد. این اثر همچنین ممکن است توسط انرژی موجود در جریان آشفته تقویت شود ، اگرچه مشخص نیست که آیا این اثر برای خود مونتاژ متلاطم متداول بوده یا توسط سایر عوامل تجربی ناشی می شود. آبلمن و همکاران قصد دارند با مطالعه بیشتر در مورد پدیده با تغییر اندازه مطلق اشیا answers ، پاسخ پیدا کنند.

خود مونتاژ سه بعدی با استفاده از تعامل دو قطبی
ضبط فیلم کروی ، استوانه و کروی با انرژی متعادل برای هم ترازی موازی و ضد موازی ، با ۸ ، ۱۲ و ۱۶ جسم. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba2007

به این ترتیب ، لئون ابلمن و همکارانش به طور آزمایشی ظرفیت سازه های ۳ بعدی را برای مونتاژ خود از نیروهای دوقطبی به شرط عدم وجود ترجیحی برای ترازی موازی یا ضد موازی نشان دادند. دانشمندان با تعادل نیروهای دو قطبی از طریق فعل و انفعالات استریکی ناشی از شکل خاص جسم ، به این مهم دست یافتند. آنها شکل استوانه ای را انتخاب کردند زیرا به نظر می رسید سازش خوبی برای کمک به دستیابی به کریستال های معمولی باشد. این آزمایشات همچنین با شبیه سازی های دینامیک مولکولی که اشکال کروی بیشتر بودند موافقت کرد. به احتمال زیاد خوشه های بزرگی از مکعب ها را تشکیل می دهد ، در حالی که فعل و انفعالات دو قطبی باعث ایجاد اختلال در تشکیل بلور مکعب ها می شود.

نتایج آزمایشات خود مونتاژ کریستال در مقیاس خرد را با استفاده از دو قطبی مغناطیسی دائمی تشویق می کند. بر اساس نتایج ، دانشمندان مواد قادر خواهند بود فرامواد هیجان انگیز مانند ضد آهن مغناطیسی مصنوعی ، مواد پیزومغناطیسی و مغناطیسی مغناطیسی ۳-D. نیروی بین دو قطبی نسبت به اندازه دو قطبی تغییر نکرد ، در حالی که منشأ آنها به عنوان دو قطبی مغناطیسی یا الکتریکی هیچ تأثیر آزمایشی نداشت ، بنابراین Abelmann و همکاران. قصد دارد نتایج تجربی را برای مونتاژ ۳-D در مقیاس میکرون تعمیم دهد. نتایج منجر به تشکیل بلورهای فوتونیک ، مواد فوق العاده ، ۳-D الکترونیک یا حافظه.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا