Magneetbolletjes zijn populair speelgoed waarmee de meest fantastische 3D-vormen zijn te bouwen. Stel nu dat je dit principe wilt gebruiken om kunstmatige kristallen zichzélf te laten assembleren, is ook dan het bolletje de meest geschikte vorm? Een kubus misschien, een cilinder? Onderzoekers van de Universiteit Twente laten zien dat, in een turbulente waterstroom, het niet de bolletjes maar cilinders zijn die de meest regelmatige kristalvormen produceren. Zij publiceerden hier onlangs over in Science Advances.
Kunstmatige kristallen, ook wel metamaterialen, hebben eigenschappen die in natuurlijke materialen niet voorkomen. Ze kunnen bijvoorbeeld bijzondere mechanische eigenschappen hebben of licht manipuleren. Ook kun je er 3D- elektronica mee maken. Het principe van zelf-assemblage, self-assembly, betekent dat de bouwstenen zichzelf gaan ordenen tot een kristal. Dat kan bijvoorbeeld door het oplosmiddel waarin de deeltjes aanwezig zijn, te laten verdampen. Leon Abelmann en zijn collega’s wilden onderzoeken in hoeverre je voor zelfassemblage gebruik kunt maken van de magnetische interactie. Zij maakten deeltjes van verschillende vormen die een magnetische noord- en zuidpool hebben. Vervolgens lieten ze die los in een opwaartse waterstroom, die niet alleen de zwaartekracht compenseert maar ook turbulent is: de deeltjes krijgen daardoor te maken met verstorende krachten en gaan samen op zoek naar situaties die energetisch optimaal zijn.
Voorkeursrichting en vorm van het object bepalen welke ‘eindvorm’ eruit komt: een lijn, ‘plaat’ of 3D-kristalvorm: rood omcirkeld de regelmatige kristalstructuur die wordt gevormd met cilindervormige elementjes.
Voorkeur
Zoals ook bij speelgoedbolletjes, werkt de richting van de magnetische energie soms méé of soms tegen bij het creëren van een bepaalde vorm. De deeltjes in de experimenten kregen een voorkeursrichting mee. De energie is te sturen door de vorm van het omhulsel om de magneet – zelf van neodymium-ijzer-boor – te variëren. Er werden drie situaties bestudeerd: de energie voor de parallelle richting was gelijk aan die van de antiparallelle, de eerste was twee keer zo groot of juist de helft.
Cilinders
Is de parallelle energie groter dan de antiparallelle, dan neigen alle vormen naar een 1D- rechte lijn. Behalve een lijn van bolletjes, die bij voldoende bolletjes kan sluiten in een ring. Is de voorkeursrichting antiparallel, dan vormen zich 2D-‘platen’. Bij gelijke parallallelle en antiparallele energie klonten de bolletjes samen, de cilinders vormen regelmatige 3D-kristallen en de kubusjes laten nog een combinatie van vormen zien. Hoewel de cilinder de beste kandidaat lijkt, is het wel zo dat de structuren die met bolletjes worden gevormd, langer intact blijven in de waterstroom: minutenlang in plaats van seconden. De onderzoekers vermoeden dat dit komt doordat bolletjes minder gevoelig zijn voor kleine afwijkingen die de krachten tussen de magneten doen afnemen.
De experimentele set-up, waarin het turbulente water omhoog wordt gestuwd in een kegelvormige ruimte. De camera registreert de assemblage.
Ook elektrische dipolen
De experimenten zijn uitgevoerd met deeltjes die millimeter afmetingen hebben. De uitkomsten zijn inspirerend om de experimenten ook met micrometer-afmetingen te doen. Dat kan met de fabricagetechnieken die ook worden gebruikt voor magnetic random access memories (MRAM). Via zelfassemblage zijn dan bijvoorbeeld ringvormige magnetische geheugens te maken. De onderzoekers verwachten daarnaast dat het principe voor een elektrische dipool niet anders is dan voor een magnetische, zodat ook fotonische kristallen en 3D-elektronica tot de mogelijkheden behoren.
Prof.dr.ir. Leon Abelmann is verbonden aan de Universiteit Twente (Robotics and Mechatronics groep) en aan KIST Europa (Korean Institute of Science and Technology) in Saarbrücken.
Het paper ‘Three dimensional self-assembly using dipolar interaction’, door Leon Abelmann, Tijmen Hageman, Per Lötman, Massimo Mastrangeli en Miko Elwenspoek is onlangs verschenen verschijnt op 8 mei in Science Advances, online journal van de American Association for the Advancement of Science (AAAS).
