Secretul unui cristal perfect: o rotație suplimentară calibrată cu precizie
Crearea unui cristal perfect pare un proces simplu: aranjezi blocuri de construcție identice într-o structură repetitivă și ordonată. La scară microscopică însă, chiar și cele mai subtile biasuri în modul în care particulele interacționează le pot împinge în direcții preferate, îngreunând formarea materialelor cristaline uniforme.
Un studiu condus de Universitatea Rice oferă o soluție pentru această problemă. Tanaka Tatsuya, cercetător științific visiting la Rice, provenind de la Kao Corp. din Japonia, a dezvoltat o strategie teoretică pentru eliminarea unei biasări direcționale nedorite care poate apărea atunci când particulele magnetice sunt asamblate folosind câmpuri magnetice rotative. Lucrarea, publicată în Physical Review Research, arată că soluția poate fi surprinzător de simplă: rotirea câmpului magnetic cu puțin mai mult de o rotație completă înainte de a-i inversa direcția.
„Când rotim câmpul magnetic, răspunsul magnetic al particulei este întotdeauna ușor în urmă”, a declarat Sibani Lisa Biswal, președinta departamentului de inginerie chimică și biomoleculară și profesoara William M. McCardell în inginerie chimică la Rice, autoarea corespondentă a studiului. „Această mică întârziere contează. Poate crea o direcție preferată de asamblare chiar și atunci când câmpul aplicat pare perfect simetric.”
Costul decalajului magnetic
Cercetătorii pot folosi câmpuri magnetice rotative pentru a ghida particulele magnetice către structuri organizate. O metodă comună constă în rotirea câmpului într-o direcție și apoi inversarea acestuia, ceea ce ajută la prevenirea rotirii continue a particulelor și a clusterelor de particule. Echipa de la Rice a descoperit însă că o baleiere convențională de 360 de grade nu tratează toate direcțiile în mod egal.
Motivul este o ușoară întârziere, cunoscută sub numele de relaxare magnetică, între schimbarea câmpului aplicat și răspunsul magnetic al particulei. Din cauza acestui decalaj, unele orientări sunt efectiv eșantionate mai mult decât altele, creând o axă preferată de-a lungul căreia particulele tind să se alinieze.
Cercetătorii au constatat că rotirea câmpului puțin dincolo de 360 de grade înainte de inversare poate compensa acest dezechilibru. La un unghi de baleiere calculat cu precizie, preferința direcțională dispare, permițând celor două particule să experimenteze aceeași interacțiune medie indiferent de orientarea lor. Cu alte cuvinte, o fracțiune suplimentară de rotație poate restabili interacțiunile izotrope — interacțiuni identice în toate direcțiile.
Echipa a derivat de asemenea o relație generală pentru determinarea exactă a cât de multă rotație suplimentară este necesară. Unghiul necesar depinde de doi factori: cât de repede răspunde magnetizarea unei particule, cunoscută drept timpul său de relaxare, și cât de repede se rotește câmpul magnetic. Simulările numerice au arătat că relația rămâne valabilă chiar și atunci când cercetătorii au luat în calcul interacțiunile dintre particule și rotația fizică proprie a acestora.
Un parametru experimental fix
„Acest rezultat facilitează proiectarea experimentelor cu particule care interacționează”, a declarat Aldo Spatafora-Salazar, cercetător științific în inginerie chimică și biomoleculară în laboratorul Biswal și unul dintre autorii studiului. „Calculezi rotația suplimentară folosind timpul de întârziere al particulei și viteza de rotație a câmpului. Baleierea poate fi apoi fixată ca parametru experimental pentru a obține interacțiuni izotrope.”
„Dacă vrei ca particulele să formeze cristale foarte ordonate, trebuie mai întâi să înțelegi și să elimini biasările nedorite din modul în care acestea interacționează”, a spus Biswal. „Aceasta ne oferă o rețetă cantitativă pentru a face asta.”
Descoperirile oferă o nouă modalitate de a regla cu precizie forțele care guvernează auto-asamblarea magnetică și ar putea ajuta cercetătorii să proiecteze structuri cristaline mai uniforme din particule microscopice.
