有時(shí)最好讓磁鐵完成所有工作。

由康奈爾大學(xué)物理學(xué)教授Itai Cohen和Paul McEuen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正在利用磁體的結(jié)合力來(lái)設(shè)計(jì)自組裝系統(tǒng)，該系統(tǒng)可能以納米級(jí)形式生成。

他們的論文“作為程序自組裝的尺度不變平臺(tái)的磁性握手材料”，于11月21日發(fā)表在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上。

為了制造小型系統(tǒng)，例如微型機(jī)器，凝膠和超材料，它們可以自我構(gòu)建，研究人員從DNA折紙中汲取了靈感，在這種折紙中，原子級(jí)DNA鏈可以通過(guò)稱(chēng)為互補(bǔ)的過(guò)程折疊成二維和三維結(jié)構(gòu)。堿基配對(duì)，其中特定核苷酸彼此結(jié)合：A到T，G到C。

該團(tuán)隊(duì)沒(méi)有依靠原子鍵，而是被另一種形式的吸引力吸引：磁性。在這里，多個(gè)磁鐵之間的吸引和排斥可以像握手一樣充當(dāng)一種智能連接。磁性相互作用還可以形成牢固，通用的鍵，而這些鍵不易被熱效應(yīng)破壞。利用在各種方向上足夠大的磁體陣列，數(shù)千種不同的配置將是可能的。

研究人員通過(guò)制造厘米大小的丙烯酸板來(lái)測(cè)試他們的設(shè)計(jì)理論，每個(gè)丙烯酸板包含四個(gè)方形正方形小磁鐵。這種安排使他們能夠進(jìn)行四個(gè)獨(dú)特的磁性相互作用。

科恩說(shuō)：“通過(guò)控制每個(gè)面板上的磁偶極子的模式，我們基本上可以得到鑰匙和鑰匙的綁定。” “然后按照設(shè)計(jì)順序?qū)⑦@些面板粘合到柔性聚酯薄膜條上，我們創(chuàng)建了基本的構(gòu)建塊。”

為了激活自組裝，將單獨(dú)的鋼絞線(xiàn)散布在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)會(huì)阻止磁體形成粘結(jié)。隨著振動(dòng)幅度的減小，磁體按其指定的順序連接，并且股線(xiàn)形成目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

科恩說(shuō)，最終目標(biāo)是生產(chǎn)這些系統(tǒng)的納米級(jí)版本，其自組裝單元的直徑僅為100納米，或者是人發(fā)直徑的千分之一。

該論文的主要作者，博士后研究員Ran Niu說(shuō)：“這是一個(gè)非常廣泛的平臺(tái)，具有許多令人興奮和有趣的應(yīng)用程序。” “您可以設(shè)計(jì)很多結(jié)構(gòu)。我們可以制造光學(xué)主動(dòng)致動(dòng)器。我們可以制造可以控制的功能機(jī)器。”

該項(xiàng)目最近獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)的110萬(wàn)美元設(shè)計(jì)材料，以“革命性地設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)我們的未來(lái)”撥款，這將使該團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)一步探索納米化身。

“我真正感興趣的部分是結(jié)構(gòu)和信息如何相互作用以制造變形機(jī)器的想法，”資深合著者M(jìn)cEuen，John A. Newman物理科學(xué)教授，康奈爾大學(xué)Kavli研究所所長(zhǎng)說(shuō)。納米尺度的科學(xué)，科恩(Cohen)是高級(jí)研究員。“因此，例如，RNA是我們體內(nèi)令人難以置信的驚人分子，其中包含大量信息，而且還具有各種有趣的功能。因此，這類(lèi)似于該系統(tǒng)的類(lèi)似物，我們可以在其中開(kāi)始了解如何混合使用信息和結(jié)構(gòu)以獲得復(fù)雜的行為。”

盡管納米級(jí)機(jī)器和自組裝系統(tǒng)不是新事物，但該項(xiàng)目標(biāo)志著這兩個(gè)概念首次與磁性編碼結(jié)合在一起。

“我的愿景是，有一天我會(huì)簡(jiǎn)單地將一個(gè)磁盤(pán)交給您，將其放入硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，它會(huì)寫(xiě)入您設(shè)計(jì)的所有磁性代碼，然后將其放入酸中釋放結(jié)構(gòu)塊，科恩說(shuō)。“所有帶有我們編碼的磁模式的細(xì)線(xiàn)都將聚集在一起，并自我組裝成某種機(jī)器，我們可以使用外部磁場(chǎng)來(lái)控制它。”

“這項(xiàng)工作打開(kāi)了設(shè)計(jì)領(lǐng)域，”科恩補(bǔ)充說(shuō)。“現(xiàn)在，我們?yōu)閷?duì)從零開(kāi)始設(shè)計(jì)材料的數(shù)學(xué)方法感興趣的人們提供了一種功能強(qiáng)大的工具集。從中發(fā)現(xiàn)真正有趣的設(shè)計(jì)并沒(méi)有無(wú)限的潛力。”

潛在的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)可以在研究團(tuán)隊(duì)本身中找到。該論文的合著者包括愛(ài)德華·埃斯波西托(Edward Esposito)，他是前大學(xué)的工作人員，他審核了科恩的“電學(xué)和磁學(xué)”榮譽(yù)課程，并成為科恩實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員。他現(xiàn)在正在攻讀博士學(xué)位。在芝加哥大學(xué)。共同作者Jakin Ng是伊薩卡州高中的一名學(xué)生，他通過(guò)“學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)”青年體驗(yàn)教育計(jì)劃開(kāi)始在科恩實(shí)驗(yàn)室做兼職。Ng對(duì)折紙樣式的了解有助于研究人員設(shè)計(jì)其某些結(jié)構(gòu)。