有时最好让磁铁来做所有的工作。
由物理学教授伊泰·科恩(Itai Cohen)和保罗·麦克尤恩(Paul McEuen)领导的一个团队正在利用磁铁的结合力设计自组装系统，这种系统有可能以纳米级的形式出现。
他们的论文《磁性握手材料作为程控自组装的尺度不变平台》发表在11月21日的《美国国家科学院院刊》上。
含有微小磁铁的丙烯酸板被粘在可弯曲的聚酯薄膜上，形成了研究人员探索磁控自组装系统潜力的基本构件。
使小系统,如微型机器,凝胶和超材料——本质上构建自己的,研究人员把灵感从DNA折纸,原子尺度的“DNA链的折叠成两种,通过这一过程被称为三维结构互补的碱基配对,在特定的核苷酸结合:C T和G。
这个团队不是依靠原子键，而是被另一种形式的吸引力所吸引:磁学。在这里，多个磁铁之间的吸引和排斥可以作为一种智能连接，就像握手一样。磁相互作用也会形成强大的、多功能的化学键，不易被热效应破坏。有足够大的磁铁阵列在各种不同的方向，数千种不同的配置将是可能的。
研究人员通过制作厘米大小的亚克力板来验证他们的设计理论，每块亚克力板上有四个方形的小磁铁。这种排列方式使它们能够产生四种独特的磁相互作用。
科恩说:“通过控制每个面板上磁偶极子的模式，我们基本上可以实现锁和键的结合。”“通过将这些面板按设计顺序粘在可弯曲的聚酯薄膜上，我们创造了基本的积木。”
为了激活自组装，这些分散的线分散在一个振动台上，桌子的振动阻止了磁铁形成键。随着振动幅度的减小，磁铁按指定的顺序吸附在一起，形成了目标结构。
科恩说，最终的目标是生产这些系统的纳米级版本，使用直径只有100纳米的自组装单元，也就是人类头发直径的千分之一。
“这是一个相当广泛的平台，有许多非常令人兴奋和有趣的应用程序，”该论文的第一作者、博士后研究员冉牛说。“你可以设计很多结构。我们可以制造光电致动器。我们可以制造我们可以控制的功能性机器。”
该项目最近获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)提供的110万美元的设计材料，用于革新和设计我们未来的资助，这将使该团队能够进一步探索纳米级的生物。
“真正让我感兴趣的是结构和信息是如何相互作用来制造变形机器的，”资深合著者McEuen说，他是物理科学的John a . Newman教授，同时也是康奈尔大学纳米尺度科学Kavli研究所的主任，Cohen是该研究所的高级研究员。“例如，RNA是我们身体里的一种非常神奇的分子，它包含了很多信息，但也有各种有趣的功能。所以这有点类似于那个系统，在那里我们可以开始理解如何混合信息和结构来获得复杂的行为。”
虽然纳米机器和自组装系统并不新鲜，但该项目标志着这两个概念首次与磁性编码相结合。
科恩说:“我的设想是，有一天我只要给你一张磁盘，你把它放进你的硬盘里，它就会把你设计的所有磁性代码写下来，然后你把它放进某种酸里，就能把这些材料释放出来。”“所有带有我们编码的磁性图案的小股都会聚集在一起，并自我组装成某种机器，我们可以利用外部磁场来控制它。”
“这项工作开拓了设计领域，”科恩补充道。“我们现在给那些对从头开始设计材料的数学感兴趣的人提供了一个非常强大的工具集。由此产生的有趣设计的创造力和潜力是无止境的。”
潜在的学习机会可以在研究团队中发现。这篇论文的共同作者包括爱德华·埃斯波西托(Edward Esposito)，他曾是大学的教职工，曾旁听科恩的电磁荣誉课程，后来成为科恩实验室的技术员。他现在正在芝加哥大学攻读博士学位。合著者Jakin Ng是伊萨卡高中的学生，他通过学习网络青年体验教育项目开始在科恩的实验室做兼职。吴昌俊对折纸图案的了解帮助研究人员设计了一些结构。
哈佛大学的迈克尔·布伦纳教授和博士后研究员克里斯·杜也参与了这项工作，这项工作得到了国家科学基金会、国防高级研究计划局和康奈尔材料研究中心的支持。
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